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Diseño de lucernario multifuncional
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Resumen
Hay muchas formas de mejorar la eficiencia energética de un edificio. La iluminación con
luz natural mediante lucernarios, durante las horas de sol, reduce sensiblemente el
consumo eléctrico debido a la iluminación con luz artificial. La iluminación natural tiene
como inconveniente el aumento de la carga térmica del edificio o nave, provocado por la
radiación solar directa incidente sobre las superficies transparentes o translúcidas de los
lucernarios.
Los tradicionales “dientes de sierra” daban el servicio de iluminación natural a las antiguas
fábricas, pero no se traducía en un importante aumento de la carga térmica de dicha
fábrica. Esto era debido a la nula radiación solar directa incidente sobre las superficies
transparentes, orientadas al Norte, de dichos “dientes de sierra”.
Aumentar la autosuficiencia energética del edificio, también es una forma de mejorar la
eficiencia energética de éste. Priorizar la ventilación del interior para mejorar las
condiciones ambientales, cuando las condiciones exteriores sean adecuadas (primavera u
otoño), reduciendo el gasto eléctrico producido por la refrigeración mecánica, es otra.
Para disponer de un sistema de iluminación natural, de otro sistema de ventilación, del
sistema de evacuación de humos y de sistemas de aprovechamiento de la radiación solar
para producción de energía térmica y/o eléctrica, se deben practicar infinidad de aberturas
y montar soportes en la cubierta.
El lucernario triangular multifuncional reúne todos estos servicios en una sola instalación,
practicando una única abertura en cubierta por lucernario. Con el fin de iluminar con luz
natural grandes espacios diáfanos, ya sea para uso industrial o comercial, se diseña un
lucernario triangular emulando los comentados “dientes de sierra”. El lucernario tiene la
cara orientada al Norte transparente, y la cara Sur practicable para la incorporación de los
aireadores del sistema de evacuación de humos y ventilación diaria, y de los paneles
solares térmicos y/o fotovoltaicos de los sistemas de aprovechamiento de la radiación solar.
El acople de los servicios a la estructura del lucernario se realiza con perfilería de aluminio,
quedando perfectamente integrado. Los lucernarios se forman a partir de módulos de
dimensiones estandarizadas, para una mayor adaptación a las necesidades de cada caso.
El nivel de iluminación requerido es diferente según del uso del edificio, y en consecuencia
la superficie de lucernarios necesaria varía de un caso a otro. Para calcular dicha superficie
de abertura necesaria para iluminación natural, se adjunta un programa de cálculo.
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Diseño de lucernario multifuncional
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Sumario
RESUMEN ___________________________________________________1
SUMARIO ____________________________________________________3
1.
GLOSARIO _______________________________________________7
2.
INTRODUCCIÓN __________________________________________9
2.1. Objetivos del proyecto.................................................................................... 9
2.2. Alcance del proyecto....................................................................................10
3.
SERVICIOS A PROPORCIONAR Y ANÁLISIS DE USUARIO ______13
3.1. Servicios a proporcionar ..............................................................................13
3.2. Usuarios y sus necesidades ........................................................................13
3.3. Afectación de todos los usuarios .................................................................17
3.3.1.
3.3.2.
4.
Usuarios tipo................................................................................................... 17
Pérdidas y ganancias para los usuarios ......................................................... 17
LA ILUMINACIÓN NATURAL________________________________19
4.1. Influencia de la luz sobre las personas........................................................20
4.1.1.
4.1.2.
4.1.3.
Efectos no ópticos de la luz ............................................................................ 20
Efectos ópticos de la luz ................................................................................. 23
Influencia del alumbrado artificial.................................................................... 24
4.2. Criterios de diseño para alumbrado de recintos con luz natural .................25
4.2.1.
4.2.2.
4.2.3.
Parámetros de diseño..................................................................................... 26
Captación de luz natural ................................................................................. 28
Control de la luz natural .................................................................................. 31
4.3. Integración de luz natural y luz artificial .......................................................33
4.4. Efecto térmico de la iluminación natural ......................................................33
5.
LA MULTIFUNCIONALIDAD ________________________________37
5.1. Evacuación de humos..................................................................................37
5.2. Climatización ................................................................................................39
5.2.1.
5.2.2.
Ventilación ...................................................................................................... 39
Enfriamiento adiabático .................................................................................. 43
5.2.3.
5.2.4.
Refrigeración mecánica .................................................................................. 45
Elementos del sistema de climatización acoplables al lucernario................... 46
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5.3. Aprovechamiento de la energía solar.......................................................... 46
6.
5.3.1.
Energía solar fotovoltaica ................................................................................47
5.3.2.
5.3.3.
Energía solar térmica.......................................................................................49
Elementos necesarios para el acople al lucernario .........................................51
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA SOLUCIÓN ____________________53
6.1.
6.2.
6.3.
6.4.
7.
Análisis funcional ......................................................................................... 53
Interacción entre funciones y usuarios........................................................ 58
Descripción de alternativas.......................................................................... 59
Descripción del sistema............................................................................... 65
6.4.1.
Descripción física.............................................................................................65
6.4.2.
Descripción funcional.......................................................................................66
ESTUDIO DE VIABILIDAD __________________________________69
7.1. Estudio comparativo de eficiencia energética ............................................. 69
7.2. Estudio de iluminación................................................................................. 73
7.3. Estudio económico ...................................................................................... 74
7.3.1.
7.3.2.
7.3.3.
Estudio de mercado.........................................................................................75
Costes..............................................................................................................75
Estudio comparativo de costes........................................................................76
7.4. Estudio de impacto ambiental ..................................................................... 78
8.
CONSIDERACIONES DE PRODUCTO ________________________79
8.1. Ergonomía de las tareas a realizar.............................................................. 79
8.2. Análisis de seguridad................................................................................... 79
8.3. Ciclo de vida del sistema ............................................................................. 81
8.4. Compromisos y responsabilidades del usuario principal ............................ 81
9.
DESARROLLO DE UN PROGRAMA DE SELECCIÓN____________83
9.1. Objetivos del programa a realizar................................................................ 83
9.2. Funcionamiento del programa..................................................................... 83
10. CASO PRÁCTICO ________________________________________85
10.1. Evacuación de humos ................................................................................. 85
10.1.1. Consideraciones previas .................................................................................85
10.1.2. Datos de partida ..............................................................................................86
10.1.3. Objetivo del estudio .........................................................................................87
10.1.4. Sistema............................................................................................................87
10.2. Iluminación natural....................................................................................... 89
10.2.1. Consideraciones previas .................................................................................89
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10.2.2. Datos de partida ............................................................................................. 89
10.2.3. Objetivos del estudio....................................................................................... 90
10.2.4. Sistema........................................................................................................... 90
10.3. Ventilación natural........................................................................................92
10.3.1. Consideraciones ............................................................................................. 92
10.3.2. Cálculos estimativos ....................................................................................... 92
CONCLUSIONES _____________________________________________93
AGRADECIMIENTOS __________________________________________95
BIBLIOGRAFÍA_______________________________________________97
Referencias bibliográficas .....................................................................................97
Bibliografía complementaria ..................................................................................98
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Diseño de lucernario multifuncional
1. Glosario
2
A, área total (m ).
As, superficie aerodinámica de salida (m2).
2
Ae, superficie aerodinámica de entrada (m ).
BH, altura del antepecho bajo ventanas (m).
Ci, coeficiente de grado de peligrosidad.
Cpaire, constante de calor específico del aire (W/kg·ºC).
∆tc, gradiente térmico de la nave (ºC).
∆th, gradiente térmico hipotético de la nave (ºC).
E, distancia entre lucernarios (m).
Ea, nivel de iluminación natural exterior (lux).
EER, Coeficiente de Eficacia Frigorífica.
Ei, nivel de iluminación requerido en el plano de trabajo (lux).
f, factor de distribución de luz.
FD, superficie total a iluminar corregida (m2).
2
FF, superficie necesaria de abertura en cubierta para iluminación natural cenital (m ).
FH, altura acristalada de ventanas (m).
h, altura total de la nave (m).
HF, altura efectiva de la nave (m).
hi, Altura de almacenamiento (m).
K, coeficiente de transmisión de calor (W/m2·ºC).
K1, coeficiente reductor por obstáculos estructurales del lucernario.
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K2, coeficiente reductor por turbiedad exterior.
Ke, coeficiente reductor por altura de la nave.
Kφ, coeficiente producto de los coeficientes angulares.
m& aire , caudal de aire que circula por la nave (m3/s).
τ, coeficiente de transmisión lumínica.
3
ρaire, densidad del aire (kg/m ).
Qs, densidad de carga de fuego (MJ/m2).
Qt, carga térmica de la nave (W).
qvi, poder calorífico de los componentes combustibles presentes en la nave (MJ/m3).
r, renovación ambiental (renovaciones/hora).
Ra, coeficiente adimensional corrector del grado de peligrosidad.
TM, índice medio de iluminación cenital (%).
tr, factor de penetración de la luz por ventanas de 1 m. de altura (m).
V, volumen de la nave (m3).
φL, coeficiente reductor angular por longitud de la nave.
φW, coeficiente reductor angular por anchura de la nave.
XL, relación de longitud/altura de la nave.
XW, relación de anchura/altura de la nave.
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2. Introducción
Para la iluminación natural cenital de las naves industriales han sido usuales durante largo
tiempo, desde los inicios de la era industrial, las cubiertas con forma de diente de sierra
(sheds). Dichas cubiertas son estructuras pesadas e integrantes del edificio, enmarcando
superficies acristaladas verticales, orientadas al Norte.
Esta práctica constructiva tradicional se ha visto substituida en épocas recientes por
cubiertas horizontales de construcción ligera, frecuentemente formadas por paneles
metálicos. En las naves con este tipo de cubierta, la iluminación cenital se obtiene mediante
claraboyas horizontales cuadradas, o con lucernarios continuos planos o curvados, unas y
otros compuestos por placas de policarbonato o poliéster, transparentes o translúcidas.
La radiación solar directa, entrante a la nave a través de dichos sistemas de captación de
luz natural, constituye frecuentemente un factor relevante en el balance total de cargas
térmicas de una nave. Además, afecta de forma notable al disconfort de los ocupantes de
la misma, por lo que requiere una especial consideración al proceder al diseño y
dimensionado de cualquier sistema de tratamiento climático ambiental, desde la simple
ventilación natural o forzada, hasta los diversos procedimientos de refrigeración mecánica.
La consideración de dichos inconvenientes lleva frecuentemente al diseño de naves
totalmente ciegas, lo que obliga al alumbrado eléctrico constante de las mismas, con el
consiguiente consumo energético adicional en horas diurnas.
Paralelamente, con el fin de dotar a la nave de los servicios de ventilación, de evacuación
de humos y de sistemas de aprovechamiento de la energía solar, entre otros, se realiza un
elevado número de aberturas en cubierta. Dichas aberturas, representan un encarecimiento
de la instalación.
Teniendo en cuenta lo argumentado anteriormente, la situación más deseable e ideal sería,
por una parte, iluminar durante las horas diurnas con luz natural difusa y libre de radiación
infrarroja, para hacer de la iluminación natural cenital un complemento o alternativa
gratuitos del alumbrado eléctrico. Y por otra parte, agrupar el mayor número de servicios a
dotar a la nave, con el fin de reducir el número de aberturas a realizar en cubierta.
2.1. Objetivos del proyecto
Desarrollo técnico y constructivo de un modelo de lucernario destinado a iluminación natural
cenital en naves industriales, comerciales y áreas diáfanas similares, potenciando al
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máximo la entrada exclusiva de luz difusa “fría”. Incorporando además, paneles solares
térmicos y/o fotovoltaicos, así como compuertas para evacuación de humos en caso de
incendio, y para salida de aire caliente en procesos de ventilación diaria, natural o
mecánica, según los servicios que se requieran en cada caso.
Con el modelo de lucernario a estudiar y desarrollar en el Proyecto se pretende aunar y
potenciar las ventajas que caracterizan los dos referidos sistemas convencionales (entrada
exclusiva de luz difusa “fría”, en el caso de los dientes de sierra tradicionales; ligereza y
simplicidad de implantación de las claraboyas y lucernarios). Consiguiendo así soslayar los
respectivos inconvenientes (elevada carga estructural y alto coste constructivo de los
dientes de sierra; entrada considerable de radiación solar directa infrarroja, con las
claraboyas y lucernarios).
2.2. Alcance del proyecto
Para la iluminación natural mediante dicho lucernario, que dé solución a los problemas
expuestos, se dispone de los siguientes parámetros influyentes:
•
Localización geográfica del emplazamiento.
•
Nivel de iluminación requerido en el interior de la nave.
•
Dimensiones de la zona a iluminar.
•
Existencia de edificios cercanos que obstaculicen la luz solar.
•
Nivel de nitidez del aire en la zona del emplazamiento.
La solución adoptada en cada caso dependerá de los parámetros anteriores, donde cada
uno de dichos parámetros afecta de manera diferente a la iluminación natural.
Para la viabilidad de la solución debe haber un equilibrio entre calidad, costes y tiempo de
ejecución. Un nivel desproporcionado de uno de estos factores implica la no viabilidad de
dicha solución.
En el presente Proyecto se estudia como afecta la utilización de dicho lucernario sobre la
eficiencia energética de un edificio. Un incremento de dicha eficiencia representa un
aumento en la calidad de la solución. En este sentido, se estima una reducción superior al
40% de la carga térmica aportada por superficie de lucernario, respecto los sistemas
tradicionales de iluminación natural.
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Los costes de la solución adoptada son superiores a los costes de los sistemas de
iluminación natural tradicionales. Este hecho se explica por el incremento tanto de
superficie como de material necesario. Aunque el acoplamiento de diversos servicios al
lucernario implica menos aberturas necesarias en cubierta, y por tanto, una reducción de
costes. Para el presente Proyecto se considera como aceptable un incremento en el coste
de instalación del lucernario de un 40%, amortizable a medio plazo debido al ahorro
energético obtenido.
El tiempo de ejecución es similar al de los sistemas de iluminación natural tradicionales.
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3. Servicios a proporcionar y análisis de usuario
Como todo producto, el lucernario triangular multifuncional está diseñado para satisfacer
unas necesidades determinadas de unos usuarios concretos. Dicho lucernario es
susceptible de ser instalado en multitud de edificios, pero especialmente grandes naves
diáfanas destinadas a uso industrial o comercial.
3.1. Servicios a proporcionar
Generalmente, los sistemas de captación de luz natural más usuales para la iluminación
cenital del interior de edificios son las claraboyas, los lucernarios planos y semicirculares.
Integrados por paneles de material transparente o translúcido, con el fin de difuminar o
reflejar en un grado adecuado la luz natural.
Dichos sistemas no discriminan la componente directa de la radiación solar. Esta
componente transporta más de la mitad de la energía total de la radiación solar incidente en
un punto situado en la superficie terrestre.
El presente Proyecto se centra en el diseño de un lucernario que limita la aportación de la
componente directa de la radiación solar, a las cargas térmicas de un edificio. Dicho
lucernario debe cumplir paralelamente con la función para la que es concebido, la
iluminación cenital mediante luz natural. Un servicio adicional es la reducción de aberturas
necesarias a realizar en la cubierta. Dicho servicio es el resultado de incorporar al
lucernario los servicios de evacuación de humos, de ventilación o humidificación adiabática
y/o de sistemas de aprovechamiento de la radiación solar, si éstos están entre las
necesidades del edificio.
La situación más deseable sería, obtener un nivel adecuado de iluminación natural en el
plano de trabajo del edificio, reducir al mínimo la transmisión de calor a través de
lucernarios al interior y reducir el número de aberturas en la cubierta.
3.2. Usuarios y sus necesidades
Teniendo la situación ideal como objetivo, la solución a la problemática expuesta afecta a
diferentes individuos y colectivos. A continuación se enuncian los diferentes usuarios:
USUARIO PRINCIPAL:
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El usuario principal es aquel para el cual surge el proyecto y por tanto el producto debe
satisfacer todas sus necesidades y deseos. Es la persona o personas que utilizan
habitualmente el producto, o aquellas personas que pueden interaccionar con él durante la
fase de servicio.
a) Descripción de la persona física o social.
Los usuarios de los lucernarios multifuncionales son:
1. La Propiedad que gestiona y explota el sistema.
2. Los trabajadores del edificio.
3. Los clientes que accedan al edificio.
Usuarios que interaccionan durante el servicio:
4. Sociedad.
b) Necesidades o deseos de estos usuarios.
1. La Propiedad.
En primer lugar, la solución a buscar ha de dar servicio a la Propiedad que la utiliza,
ya que será la beneficiaria más directa del ahorro energético obtenido así como de
su consecuente ahorro económico.
Necesidades principales:
•
Reducir consumo eléctrico derivado de la iluminación y de la
climatización (en caso de haber refrigeración mecánica).
•
Satisfacer las necesidades lumínicas de trabajadores y clientes.
•
Mejorar las condiciones ambientales interiores del edificio,
necesarias por proceso o por disconfort de trabajadores y/o
clientes.
•
Cumplir con la normativa vigente de evacuación de humos en caso
de incendio.
•
Cumplir con la normativa vigente referente al uso de energías
renovables.
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•
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Reducir el número de aberturas en la cubierta, minimizando el
riesgo de infiltraciones y toda la problemática que de ello se deriva.
2. Los trabajadores del edificio.
Los usuarios que desarrollan su jornada laboral en el interior del edificio, deben
tener una iluminación adecuada en función de la tarea que desempeñan.
Necesidades principales:
•
Tener una iluminación adecuada en función de la tarea.
•
Tener unas condiciones ambientales interiores adecuadas.
•
Tener las escapatorias de emergencia libres de humo, en caso de
incendio.
•
Sensación de seguridad.
3. Los clientes que acceden al edificio.
Necesidades principales:
•
Tener una iluminación adecuada.
•
Tener unas condiciones ambientales interiores adecuadas.
•
Tener las escapatorias de emergencia libres de humo, en caso de
incendio.
4. Sociedad.
Necesidades principales:
•
Reducir emisiones CO2 (cambio climático).
•
Mejorar la calidad aire.
USUARIO EN OTROS SISTEMAS DEL CICLO DE VIDA:
Dentro de cada sistema encontramos usuarios de 4 tipos: explotadores y externos,
participantes internos de gobierno y operadores, beneficiarios y terceros.
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Cada uno de los usuarios puede tener necesidades en los siguientes aspectos: biológicos,
ergonómicos, culturales, legales, de mercado, económicos o otros.
I.
FABRICACIÓN.
1. Propietarios:
•
Reducir costes.
2. Trabajadores de la fábrica:
•
Facilitar operaciones.
3. Terceros (habitantes de la zona dónde está la fábrica):
•
II.
Reducir contaminación ambiental y acústica.
COMERCIALIZACIÓN
1. Propietarios:
•
Dar imagen de la marca.
•
Vender más que la competencia.
•
Aumentar beneficios.
2. Competencia:
•
Dar más prestaciones que la competencia
3. Canales de venta a los usuarios principales:
•
III.
Aumentar ventas.
DISTRIBUCIÓN FÍSICA, ALMACENAJE Y TRANSPORTE.
1. Transportistas fábrica-Canales de venta:
•
Resistente a las condiciones de transporte.
•
Embalaje robusto.
•
Manejable (fácil carga y descarga).
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IV.
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INSTALACIÓN.
Instalación fácil y económica.
•
V.
MANTENIMIENTO.
Mantenimiento fácil y económico.
•
VI.
SUBSTITUCIÓN Y DESGUACE.
1. Usuario principal:
Facilidad de obtener recambio a buen precio.
•
2. Terceros:
Que se pueda reciclar.
•
3.3. Afectación de todos los usuarios
Una vez enumerados todos los usuarios, se jerarquizan en diferentes tipos.
3.3.1.
Usuarios tipo
Usuario operador: El usuario que gestiona el producto es la Propiedad, y que obtendrá el
beneficio directo de la explotación del nuevo sistema.
Usuario consumidor: Todo usuario que entre en el edificio, ya sea para trabajar, comprar,
etc., dependiendo del uso del edificio.
Usuario ajeno: Cualquier usuario que no interactúe directamente con el sistema, en este
caso cualquier persona perteneciente a un país o una región.
3.3.2.
Pérdidas y ganancias para los usuarios
El usuario operador gana en ahorro económico ya que el consumo eléctrico disminuye.
Aunque, el gasto inicial de instalación es mayor, es decir, requiere una mayor capacidad de
financiación. Dicho gasto inicial, que se reduce si se utiliza la parte multifuncional del
lucernario.
El usuario consumidor percibe una mejora en el ambiente luminoso por la mayor calidad
(más saludable) de la luz natural respecto la luz artificial. Mediante sistemas de iluminación
natural dicho usuario mantiene el contacto visual con el exterior, con la información y la
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sensación de alivio que ello otorga. También, nota una mejora en las condiciones
ambientales interiores, con lo que crece su confort (o disminuye su disconfort).
El usuario ajeno recibe el beneficio de tener un entorno medioambiental mejor, no
contribuyendo al cambio climático y respirando aire más limpio.
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4. La iluminación natural
La luz visible corresponde a la región del espectro electromagnético con longitudes de onda
comprendidas entre los 780 nm (el color rojo) y los 380 nm (el violeta). Ésta región, también
conocida como el espectro visible, corresponde a la energía que nos permite ver los
objetos.
Figura 4.1. Espectro electromagnético, [10].
La luz visible o luz natural nos permite ver los objetos. La luz natural proporciona un
rendimiento de colores ideal, entre otras cosas porque es a la que el ojo humano está
adaptado. La luz natural con sus variaciones de intensidad, de color y distribución hace
además un efecto regulador en el organismo humano.
La luz natural disponible depende de la latitud, la época del año y el momento del día como
variables predecibles y de la meteorología y la contaminación del aire como variables no
predecibles. Las variables no predecibles como su nombre indica son aquellas que no se
sabe cuando se producirán a largo plazo, a la hora de tenerlas en cuenta se utiliza la
estadística. Las variables a tener en cuenta para el estudio de la luz natural son las mismas
que para el estudio de la radiación solar, puesto que es una energía asociada. Es decir, la
radiación solar siempre lleva en su sí una parte proporcional de luz natural.
Por tanto la luz natural se puede dividir esencialmente en tres componentes:
•
La componente directa, es la luz natural procedente directamente del sol que incide
sobre una superficie.
•
La componente difusa, es la luz natural que proviene de las reflexiones propias de
la atmósfera terrestre e inciden finalmente sobre una superficie.
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•
Memoria
La componente reflejada, es la componente de la luz natural que ha sido reflejada
por otras superficies de su entorno.
La suma de estas componentes es la luz visible total que llega a una superficie. Estas
componentes varían sensiblemente su aportación en función de las variables no
predecibles. Es por estos parámetros no predecibles que se utiliza la estadística, y como
resultado se utilizan diferentes tipos de modelos según sea un día claro o cubierto, entre
otros.
4.1. Influencia de la luz sobre las personas
Como ya se ha comentado, la radiación solar incide directamente sobre la Tierra.
Los seres vivos se han adaptado a la radiación solar. En concreto, el ser humano ha
desarrollado la capacidad de captar la energía procedente del espectro visible a través de
células fotorreceptoras e interpretándola en imágenes, es el sentido de la vista. Pero el ser
humano no sólo se ha adaptado a la energía debida al espectro visible sino que también lo
ha hecho al resto del espectro de la radiación solar, son los efectos no ópticos de la
radiación solar.
4.1.1.
Efectos no ópticos de la luz
Los efectos no ópticos de la luz sobre las personas son aquellos en los cuales el sentido de
la vista no ha intervenido. Los efectos no ópticos se pueden diferenciar según sean físicos,
biológicos o psicológicos.
•
Efectos físicos
El primer efecto y el más conocido es la pigmentación de la piel debido a la exposición a la
luz ultravioleta.
Mucha exposición a la luz puede ser perjudicial para los ojos desarrollando enfermedades
como cataratas, entre otras.
•
Efectos biológicos
La luz desempeña una importante función biológica, diferente a la reproducción de
imágenes, que contribuye a la salud y al bienestar del ser humano.
La fotobiología estudia los diversos efectos de la radiación solar sobre los diversos
ecosistemas y organismos.
Diseño de lucernario multifuncional
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Dependiendo de la cantidad y características de la luz solar que entra al organismo a través
del ojo humano, éste regula la secreción de las hormonas, por tal de regular la actividad del
organismo acorde con el entorno. Así, el organismo regula su reloj biológico mediante la
información que le otorga la luz. La secreción de unas determinadas hormonas u otras
determinan el rendimiento físico e intelectual del ser humano. Por tanto, la destreza
manual, el tiempo de reacción, la memoria y la apreciación subjetiva dependen de la hora
del día. Queda constatada la importancia de la luz para los procesos hormonales del ser
humano, y por tanto, para su correcto funcionamiento.
Si la luz que detecta el ojo humano es la equivocada para el momento del día, esto provoca
que el reloj biológico se desajuste.
Cuando el ser humano está expuesto diariamente a la luz del sol su reloj corporal se
sincroniza con el ciclo diario de 24 horas de la Tierra. En caso de no estar expuesto a dicha
luz, el reloj corporal del ser humano (ritmo circadiano humano) dura entre 24 horas con 15
minutos y 24 horas con 30 minutos, dependiendo de los estudios que se consulten. Esto
significa que en ausencia total de luz, el organismo se está desincronizando respecto al
horario solar.
Después de un desajuste del reloj corporal con el ciclo diario, es preciso del paso de unos
días para la autorregulación del ritmo circadiano humano, para coordinarlo con el ciclo
diario normal terrestre.
Está comprobado que los cambios de la temperatura de color (luz fría / luz cálida), de la
dirección y del nivel de la luz afectan positivamente a la actividad de las personas, tanto en
el estado de ánimo como en el grado de estímulo.
Figura 4.2. Luz “fría”, [11].
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Memoria
Figura 4.3. Luz cálida, [11].
Estos efectos positivos no se dan en locales donde la iluminación es constante en
temperatura de color, nivel y dirección durante todas las horas laborales de sus ocupantes.
Carecen, por tanto, de una luz saludable y dinámica.
Se está investigando para que la iluminación artificial imite las características de la luz
natural, pero aún sin resultados notorios.
•
Efectos psicológicos
Una parte de los efectos psicológicos son el reflejo de los efectos biológicos, ya que
representan la manera de manifestarse, como por ejemplo, en pérdida del apetito, sueño
cuando no toca o insomnio.
El llamado “jet lag” es el efecto más conocido y experimentado, es la manifestación del
efecto biológico que es el desajuste del reloj corporal con las características de la luz
natural que está recibiendo. Otro efecto también conocido son las depresiones (efecto
psicológico) producidas después de varios días sin ver el sol produciendo un desajuste en
el reloj corporal (efecto biológico).
Estos efectos se combaten con la fototerapia, terapia por medio de la luz, que con
exposiciones adecuadas de luz ha demostrado sus efectos positivos.
Diseño de lucernario multifuncional
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Hay otra parte de los efectos psicológicos que son provocados por el entorno visual. El
entorno visual afecta al estado de ánimo de las personas, ya que una iluminación
insuficiente provoca fatiga, somnolencia y falta de motivación entre otras sintomatologías.
Los efectos psicológicos provocados por un entorno visual no adecuado son comparables a
los efectos psicológicos provocados por la meteorología y las estaciones del año.
Por tal de evitar todos estos efectos perjudiciales en las personas se considera la utilización
de sistemas de iluminación natural como el mejor sistema preventivo.
4.1.2.
Efectos ópticos de la luz
Hay efectos psicológicos que están provocados por un entorno visual inadecuado, que
tienen como raíz un efecto óptico o visual. Los efectos ópticos pueden provocar efectos
psicológicos o simplemente provocar un malestar momentáneo. En general, se puede
hablar de afectación del nivel de bienestar y de confort visual. Dichos perjuicios a los
ocupantes afectan tanto a su productividad como a su seguridad.
El inadecuado control o diseño de los sistemas de iluminación provoca un entorno visual no
apropiado, y por tanto, un efecto visual perjudicial en los ocupantes, que dependiendo del
tiempo de exposición y del tipo de efecto óptico, puede desembocar en un efecto
psicológico.
La luminancia (cd/m2) es la densidad angular y superficial de flujo luminoso que emite o
refleja una superficie en una dirección determinada. En el estudio de los efectos ópticos
sobre las personas, este ángulo es el creado entre la horizontal que pasa por la superficie y
la línea que contiene como puntos el ojo del observador y uno de los puntos de la
superficie.
Una luminancia demasiado elevada (>500 cd/m2) provoca deslumbramiento y demasiado
baja (<1 cd/m2) hace que la superficie sea vista como una superficie negra.
La distribución de las luminancias es importante tenerla en cuenta por dos causas básicas.
La primera es que demasiado contraste de luminancias provoca la constante readaptación
del ojo del observador y por tanto fatiga visual. La segunda es que unas luminancias
iguales entre objetos diferentes o entre un objeto y la superficie posterior a éste (como
puede ser una mesa) provocaría un sobreesfuerzo por tal de distinguir los contornos del
objeto.
La iluminancia (Lux = 1 Lumen/m2) es la cantidad de flujo luminoso emitido por una fuente
de luz que incide sobre una superficie por unidad de área.
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Una iluminancia demasiado elevada o baja provoca malestar visual y consecuentemente
fatiga.
La uniformidad de las iluminancias interesa que sea lo más cercano a la unidad para evitar
contrastes de flujo de luz molestos o zonas que deberían tener el mismo nivel de
iluminancia y están en “sol y sombra”. Entendiendo la uniformidad de iluminancia como la
relación entre dos iluminancias de dos superficies inmediatas o tramos consecutivos de la
misma superficie.
El deslumbramiento es la turbación de la vista por luz excesiva o repentina proveniente de
un foco de luz o de una superficie brillante dentro del campo de visión.
Los deslumbramientos producen fatiga visual que pueden desencadenar errores y
accidentes. También, si los deslumbramientos son repentinos e inesperados por parte del
sujeto, pueden provocar accidentes.
Los efectos debidos a una apariencia de color inadecuada o por un rendimiento de colores
bajo en la iluminación natural no se da por el hecho que la luz natural tiene el óptimo
rendimiento de color y que la apariencia de color depende de donde y en que momento del
día estemos. Igualmente se ha de vigilar la combinación de iluminación natural y artificial.
4.1.3.
Influencia del alumbrado artificial
Como se ha visto, la influencia de la luz sobre las personas es significativa. La utilización de
iluminación artificial en detrimento de la iluminación natural provoca una desincronización
de los ritmos circadianos, ya que la luz que le está llegando al organismo no es la que le
debería llegar para una hora determinada. Si esto sucede durante largo tiempo de
exposición, a largo plazo pueden aparecer los síntomas anteriormente indicados.
Los efectos psicológicos debido al entorno visual provocados por la iluminación artificial son
también manifiestos por el hecho de que el ambiente luminoso siempre es el mismo. El
cuerpo humano está acostumbrado a rendir más cuando hay más luz, que en un entorno
natural es cuando el sol está más alto (luz blanca). Si el ambiente visual en el puesto de
trabajo se caracteriza por la luz blanca el trabajador rendirá más durante un periodo de
tiempo pero luego se sentirá irritable y estresado. En cambio, si el ambiente visual en el
puesto de trabajo se caracteriza por la luz cálida el trabajador presenta apatía, poco interés,
disminución de reflejos y somnolencia. La luz cálida corresponde a la luz natural próxima al
ocaso.
Por tanto, es clara la diferencia entre la luz diurna y la eléctrica, la variación del nivel de
iluminación y de la temperatura de color de la primera en el transcurso del día son factores
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 25
que se echan de menos en una actividad llevada a cabo en un interior con iluminación
eléctrica (sin ventanas).
Para evitar estos efectos, en el alumbrado artificial se ha de intentar dar a la luz la tonalidad
adecuada al clima y situación latitudinal.
En cuanto a los efectos ópticos de la luz artificial sobre las personas, una parte son
comunes a los de la luz natural, pero también hay que tomar las precauciones oportunas en
cuanto a los efectos debidos al rendimiento del color y efectos visuales peligrosos como
son el parpadeo y el efecto estroboscópico.
El rendimiento de color es la capacidad que tiene nuestra fuente de luz de reproducir los
colores de los objetos como lo haría una fuente de luz natural. Éste interesa que sea lo más
alto posible para reconocer los colores tal como son y crear un entorno visual mínimamente
confortable. Los rendimientos de color recomendados están registrados en la norma UNE
EN 12464-1.
Los sistemas de iluminación artificial deben estar diseñados para evitar el parpadeo,
consecuencia de la utilización de corriente alterna, y el efecto estroboscópico, efecto
característico por hacer ver objetos parados cuando en realidad están en movimiento.
Mediante el uso de alimentación con corriente continua o a altas frecuencias para los
sistemas de iluminación, estos dos efectos desaparecen.
4.2. Criterios de diseño para alumbrado de recintos con luz
natural
La luz natural tiene un color característico que resulta de la mezcla de la luz coloreada
procedente del cielo azul, de la luz solar (de color más amarillo), del suelo o terreno (con
vegetación es verde, terreno claro es parduzco, etc.) y las otras superficies reflectantes, de
variados colores.
Además, los trayectos recorridos por el sol producen una serie de efectos variables en el
interior de los edificios, como consecuencia de la penetración de la luz a través de sus
aberturas.
Todo esto se ha de tener en cuenta para diseñar un sistema de iluminación natural en los
parámetros de diseño.
Pág. 26
4.2.1.
Memoria
Parámetros de diseño
Los parámetros de diseño de una instalación de iluminación natural son aquellos
parámetros necesarios para hacer que las prestaciones del sistema sean acordes con las
necesidades que se requieren en el edificio o local. Estas necesidades se deben ver
cumplidas sin producir los efectos perjudiciales según el tipo, la intensidad, la tonalidad, la
dirección, la repartición y uniformidad de luz, como anteriormente se ha comentado.
Los parámetros de diseño se pueden diferenciar entre los que hacen referencia al interior
del edificio o local, y los que hacen referencia al exterior. Esta diferenciación es lógica
porque los parámetros interiores dependen de los aspectos constructivos del espacio a
iluminar y los exteriores dependen de parámetros de situación geográfica y orientación
entre otros. Esta diferenciación a la vez es práctica porque dos edificios cercanos tendrán
parámetros exteriores muy similares sino iguales.
•
Parámetros interiores
Como primer parámetro a tener en cuenta de cara a dimensionar una instalación de
iluminación natural es la iluminancia necesaria en función del servicio que se va a hacer del
local o las tareas que van a desarrollar sus empleados en el interior de éste. Es decir la
cantidad de iluminación que se requiere.
Los niveles de iluminancia necesaria es importante tenerla en cuenta porque determina la
capacidad del sistema de iluminación a instalar en el local.
Generalmente, en función del uso que se le dé al edificio o local, y particularmente,
dependiendo de la tarea que desarrollan sus ocupantes, es necesario un nivel de
iluminancia. Los niveles recomendados de iluminancia vienen dados por la norma UNE EN
12464-1. La iluminancia constante mínima recomendada en áreas ocupadas de modo
continuo es de 200 lux.
Cabe remarcar que las zonas de trabajo (por ejemplo, una mesa de verificación) deben
tener una iluminancia mayor que las superficies de alrededor (un pasillo), pero no mayor a
1,5 veces.
Otro parámetro a tener en cuenta es la luminancia, definida en el apartado 4.1.2. Para que
una superficie sea visible y no sea deslumbrante, la luminancia debe estar entre 500 cd/m2
y 1 cd/m2. La luminancia de cada superficie depende de la iluminancia que recibe y de la
capacidad que dicha superficie tiene para reflejarla, expresado a través del parámetro
reflectancia.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 27
Por tanto, las luminancias de las superficies principales interiores ya vienen determinadas
por las iluminancias y la reflectividad de dichas superficies.
Las dimensiones del edificio son un parámetro importante puesto que la distribución de los
sistemas de captación de luz natural ha de ser tal que las luminancias en el interior del
edificio sean lo más uniformes posible para evitar zonas de penumbra. La iluminación
natural por ventanas en las fachadas tiene un alcance determinado dependiendo de su
tamaño y de la altura a la que están situadas. Para aportar la luz natural a aquellas zonas
que no llega la luz natural proveniente de ventanas se usa la iluminación natural desde la
cubierta o lo que es lo mismo, la iluminación cenital. En locales diáfanos, sin ventanas, el
único recurso es la iluminación cenital.
En una instalación se ha de evitar el deslumbramiento. Cabe destacar la diferencia a la
hora de analizar el deslumbramiento lo que son deslumbramientos directos de lo que son
deslumbramientos indirectos provenientes de reflexiones.
Para saber si una luminaria propia del sistema de iluminación provoca deslumbramiento
directo o no, se utiliza el Índice de Deslumbramiento Unificado de la CIE (UGR) y se
compara con los valores dados en la norma UNE EN 12464-1. Dicho índice no contempla
el deslumbramiento producido por ventanas que dan al exterior, por tanto se acepta que
tampoco sirve para lucernarios, que además están muy por encima de la línea de visión.
Para evitar el deslumbramiento se puede apantallar las superficies y fuentes de luz que
puedan provocarlo. La atenuación de las fuentes de luz mediante cortinas, persianas o
tratamiento a la superficie transparente que la compone es otra alternativa.
Para evitar los deslumbramientos indirectos se debe asegurar que la luminancia de la
fuente de luz directa o reflejada que produce dicho reflejo no sea excesiva o las
circundantes a ésta no sean muy bajas. Se pueden disminuir los efectos de los
deslumbramientos indirectos mediante superficies mates.
Los criterios de iluminancia, deslumbramiento molesto y rendimiento de colores
recomendados están dados en la norma UNE EN 12464-1, relativa a la iluminación en
lugares de trabajo para interiores.
•
Parámetros exteriores
Con los parámetros interiores sabemos la cantidad de luz que necesitamos, y con los
parámetros exteriores se estima la cantidad de luz de la que disponemos.
Pág. 28
Memoria
La ubicación geográfica del edificio es importante de cara a la disposición de luz natural, ya
que las horas y la cantidad de luz disponible disminuyen conforme nos alejamos del
ecuador.
El entorno más inmediato también afecta, puesto que otros edificios pueden ser un
obstáculo para la llegada de la luz natural al edificio objeto de estudio influyendo en la
cantidad y distribución de la luz.
La tonalidad del color de la componente reflejada de la luz natural que llega al edificio
depende parcialmente de las superficies más cercanas en su entorno si el edificio presenta
obstáculos.
La orientación del edificio es importante para determinar la luz natural disponible y también
para determinar la radiación solar incidente. La orientación del edificio afecta también a que
en su interior las características de la luz cambien acordes a la luz natural exterior, lo que
facilita la percepción por parte de sus ocupantes del momento del día en el que se
encuentran. Esto evita los efectos perjudiciales comentados en el apartado 4.1.
En lugares con atmósferas sucias y contaminadas, no es recomendable la utilización de
sistemas de captación de luz natural con superficies transparentes horizontales, ya que se
ensucian más que las verticales.
Si en el interior del edificio o local, por su uso, no es permitido exceder unos máximos
índices de ruido y el entorno del edificio es ruidoso, las superficies transparentes del
sistema de captación de luz natural deberán ser de mayor grosor o multicapa.
4.2.2.
Captación de luz natural
La captación de la luz natural se puede llevar a cabo mediante diferentes sistemas de
captación de luz solar. Según las necesidades de iluminación del edificio o local es preciso
un tipo determinado o la combinación de varios.
En función de si captan total o parcialmente la energía procedente del sol y de cómo la
transmiten al interior los elementos de captación se dividen en diferentes tipos. A
continuación se enumeran algunos de estos tipos y se explican sus características.
•
Elementos de captación total y transmisión directa
El elemento principal, primitivo o elemental de captación solar por excelencia es la ventana.
La ventana permite, dependiendo de la orientación de la fachada en la que esté situada, la
entrada de todas las componentes de la luz natural incidente sobre ella. La cantidad de
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 29
cada una de las componentes depende del material de la superficie transparente que la
constituye.
La ventana proporciona una información extra a la dirección y tonalidad de la iluminación
natural, ya que da información del entorno más inmediato al percibirse el mundo exterior.
Esto no es así si las ventanas son demasiado altas.
La iluminación natural a través de ventanas obliga a tener en cuenta los obstáculos
próximos, y también, efectos como el deslumbramiento y la carga térmica adicional. Por tal
de evitar estos efectos, las ventanas se han de posicionar y distribuir de manera adecuada
y con una forma determinada. La profundidad a la que la luz proveniente de una ventana
puede llegar depende de la altura a la que esté situada. Para una buena distribución de la
luz, lo mejor es que las ventanas estén repartidas uniformemente a lo largo de la pared.
El muro cortina es un elemento de captación de iluminación natural consistente en una
superficie más o menos transparente soportada por una estructura metálica, que ocupa
gran parte de la fachada o fachadas de un edificio. Hace las funciones de una ventana de
gran tamaño.
Una claraboya es un elemento de captación de luz natural para iluminación cenital,
físicamente es un cúpula acoplada a una abertura en la cubierta. Las claraboyas dirigen la
radiación directa del sol hacia el interior del local. Ésta característica hace aumentar la
carga térmica del edificio o local.
Figura 4.4. Claraboyas instaladas sobre una cubierta plana, [12].
Un lucernario es una abertura en la cubierta recubierta de un panel de material
transparente o translúcido. Los lucernarios de captación total pueden ser semicirculares,
triangulares o planos. Dependiendo de la distancia entre el lucernario y la superficie a
Pág. 30
Memoria
iluminar, del tamaño, de la distribución y si se utiliza material translúcido, la iluminación que
se consigue es más homogénea. Los lucernarios que son de captación total tienen toda o
parte de su superficie transparente expuesta a la componente directa de la radiación solar.
•
Elementos de captación total y transmisión por reflexión
Un conducto de luz está diseñado para conducir la luz natural captada en el exterior hacia
las salas o departamentos del edificio que no tienen acceso directo al exterior a través de
sus cerramientos perimetrales. Se pueden diferenciar diferentes partes de un conducto de
luz, la parte de captación, la de conducción y la de difusión. Puede captar la luz difusa o
toda la luz natural procedente del sol según la orientación del captador.
Figura 4.5. Conductos de luz instalados sobre una cubierta plana, [13].
•
Elementos de captación parcial y transmisión directa
Los elementos de captación parcial son aquellos que discriminan la componente directa de
los rayos solares de las componentes difusa y reflejada. Esta propiedad repercute
directamente sobre la carga térmica del edificio o local.
Los lucernarios triangulares son estructuras de planta rectangular y perfil triangular con
ángulos determinados en función de las necesidades lumínicas, pero siempre los
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 31
lucernarios triangulares de captación parcial no tienen su superficie transparente expuesta
directamente a la componente directa de la radiación solar.
4.2.3.
Control de la luz natural
La luz natural es captada y dirigida hacia el interior del edificio para iluminar los espacios
que lo requieran. Las necesidades de iluminación de dichos espacios son sobrepasadas en
exceso en horas concretas del día. Aportar demasiada luz a determinados espacios puede
ser un inconveniente, ya que se crean amplias superficies brillantes e iluminaciones por
reflexión. A fin de evitar estos inconvenientes se utilizan elementos de control de la luz
natural. Estos elementos apantallan total o parcialmente la luz natural directa que incidiría
sobre los captadores de luz natural.
Los elementos de control de la iluminación natural se distinguen según sean exteriores o
interiores y estáticos o dinámicos.
•
Elementos de control estáticos
o
Elementos de control estáticos interiores
El elemento de control de la luz natural más sencillo y con una capacidad de control
relativamente bajo es el tabique divisorio. El tabique divisorio es una separación física entre
dos espacios, en el interior del edificio, con índices de iluminación poco diferenciados. El
material que constituye dicho tabique es transparente, permite la visión y el paso de la luz a
través de él.
Una división óptica es un elemento de control de la luz natural semejante al tabique
divisorio, la diferencia entre ambos es la capacidad de visión a través de él. En el caso de la
división óptica no permite la visión a través de él. Esta propiedad se consigue con la
utilización de materiales translúcidos o transparentes tratados. También, la división óptica
permite separar ambientes con índices de iluminación más diferenciados que en el caso del
tabique divisorio.
o
Elementos de control estáticos exteriores
Un voladizo es un saliente horizontal en la fachada del edificio situado sobre un elemento
de captación de luz natural. El voladizo hace la misma función que un toldo, posibilitando la
visión del exterior y protegiendo el elemento de captación de la radiación solar directa.
Cuando estos elementos están colocados en vertical se denomina apantallamiento vertical.
Pág. 32
Memoria
Con el fin de evitar la radiación directa sobre las zonas próximas a los elementos de
captación y de utilizar parte de la radiación directa reflejada para la iluminación de las zonas
más alejadas de dichos elementos de captación, se utilizan los estantes de luz. Un estante
de luz es un voladizo situado aproximadamente a media altura del elemento de captación y
prolongado hacia el interior del edificio.
•
Elementos de control dinámicos
Los elementos de control de la luz natural dinámicos pueden ser gobernados automática o
manualmente por el usuario.
Los elementos guiados manualmente son aquellos en los cuales el usuario debe ejercer
una presión determinada para variar la cantidad y/o dirección de la luz natural entrante.
Los sistemas automáticos de control de luz natural realizan las mismas acciones que los
sistemas manuales, inclinando o girando las lamas, pero con la particularidad que los
automáticos están debidamente guiados por sistemas de seguimiento solar. Con el fin de
evitar la aportación de luz solar directa o la incidencia de luz solar en un ángulo inadecuado
para la iluminación interior de las zonas del edificio.
Hay diferentes sistemas de control que responden a la luz natural, por ejemplo los que
consisten en detectores o sensores, que miden el flujo incidente, y un sistema de control
que actúa de acuerdo con la señal del elemento detector. O también, los que consisten en
cilindros de aceite expuestos a la radiación solar, y que en función de su dilatación actúan
sobre la inclinación de las lamas del elemento de control de luz natural.
o
Elementos de control dinámicos interiores
La cortina es el elemento de control de luz interior por excelencia. Se coloca cubriendo el
interior del elemento de captación de luz natural. Permite la regulación de la cantidad de
flujo luminoso entrante según su grado de abertura. La cortina no permite la visión del
exterior.
o
Elementos de control dinámicos exteriores
El toldo es un elemento de control de la luz colocado sobre un elemento de captación de
luz natural en el exterior del edificio. El toldo es de un material flexible y opaco a la luz solar.
La finalidad del toldo es permitir la visión a través del elemento de captación impidiendo la
incidencia directa de la componente directa de la luz natural. Generalmente, los toldos son
elementos que permiten la modificación de su superficie variando la cantidad de flujo
luminoso que entra en el interior del edificio.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 33
La persiana es un elemento de control de la luz semejante a la cortina con la particularidad
que la persiana se coloca en el exterior. Esto permite una mayor reflexión de la radiación
solar.
Los paralúmenes son una serie de lamas paralelas horizontales o verticales exteriores que
pueden ser fijas o regulables. Cuando las lamas son regulables los factores de los que
depende dicha regulación son el ángulo solar y las necesidades lumínicas del interior del
edificio.
4.3. Integración de luz natural y luz artificial
El lucernario objeto del presente Proyecto, suministra el servicio de iluminación natural a la
nave. Dicha iluminación natural es uniforme en toda la nave, siendo apoyada por la
iluminación artificial en los puestos de trabajo que así lo requieran según la norma UNE EN
12464-1.
La iluminación artificial queda fuera del ámbito del diseño de un lucernario para iluminación
natural, pero no se ha de obviar que para una buena iluminación, la integración de ambos
sistemas es necesaria.
La aportación “extra” de iluminación artificial es variable para adaptarse a la evolución diaria
de la iluminación natural.
Los sistemas de iluminación artificial que actúan en respuesta a la luz natural pueden
seguir diferentes criterios para la regulación de dicha iluminación artificial, como el nivel de
luz natural, horarios premeditados y/o presencia de personas. En función de dichos criterios
los sistemas de regulación de la luz artificial actúan sobre el nivel de iluminación, la
distribución o el color de la luz.
Dicha regulación puede ser proporcional, mediante la regulación del flujo luminoso, o
constante, para ir sumando luminarias hasta alcanzar el nivel de iluminación adecuado.
4.4. Efecto térmico de la iluminación natural
La iluminación de edificios mediante luz natural significa un ahorro importante de energía
eléctrica. Además, proporciona un ambiente luminoso más saludable. Sin embargo, sin las
debidas precauciones para evitar la entrada de radiación solar directa a través de los
elementos de captación, el balance energético del edificio se ve afectado negativamente.
Pág. 34
Memoria
Figura 4.6. Energía contenida en la radiación solar en función de si es día soleado o
cubierto, [6].
La componente directa de la radiación solar es la componente con más energía, y por tanto
la que más calor transmite. Los cerramientos perimetrales opacos de los edificios reflejan
una gran parte de la radiación directa del sol. En cambio, las superficies transparentes o
translúcidas destinadas a transmitir luz natural hacia el interior del edificio dejan pasar gran
parte de la radiación solar directa. La capacidad de transmitir dicha radiación de los
elementos de captación de luz natural depende de su orientación y las propiedades del
material que los constituye.
La transmisión de dicho calor hacia el interior de los edificios significa un aumento de la
carga térmica del mismo. Una carga térmica más elevada se traduce en unas condiciones
ambientales interiores de temperatura más elevada. Un aumento de temperatura que en
muchos casos implica perjudicar el confort interior si no se dispone de un sistema de
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 35
climatización basado en la refrigeración mecánica. En el caso de disponer de él, es el
consumo derivado de dicho sistema el que aumenta, derivándose en una peor eficiencia
térmica del edificio. También, en los casos en los que la temperatura no es excesivamente
alta en el interior del edificio, pero los usuarios de éste reciben directamente la radiación
solar, se crea una sensación de disconfort.
En resumen, un sistema de iluminación natural reduce o sustituye (durante las horas de
sol) la aportación de luz artificial. La luz artificial es menos saludable que la natural, tiene
una menor relación lúmenes por vatio y la potencia eléctrica destinada a ella degenera en
calor, y por tanto, en un aumento de la carga térmica del edificio. Por este motivo es
conveniente utilizar un sistema de iluminación natural, pero con las debidas precauciones
para no permitir la entrada incontrolada de la radiación directa del sol. Precauciones que se
llevan a cabo mediante la utilización de sistemas de control de luz natural citados en el
apartado 4.2.3.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 37
5. La multifuncionalidad
Un lucernario tiene la función de aportar luz natural procedente de la bóveda celeste al
interior de un edificio o nave. Dicho lucernario se instala en cubierta para iluminación
cenital, en la misma cubierta que se instalan servicios tan dispares como los aireadores
para evacuación de humos en caso de incendio y ventilación diaria, o como los paneles
solares, ya sean térmicos o fotovoltaicos.
Tradicionalmente, dichos servicios ocupan su propio espacio en la cubierta, ello genera
gasto de montaje de estructuras para los paneles solares y de abertura de huecos para
lucernarios y para aireadores.
El lucernario triangular multifuncional engloba dichos servicios para el ahorro de las
comentadas intervenciones en cubierta, sirviendo de estructura para los paneles solares y
aprovechando la abertura necesaria para el lucernario como abertura útil para el aireador.
A continuación, se comentan los conceptos básicos de dichos servicios que afectan al
lucernario triangular multifuncional.
5.1. Evacuación de humos
La instalación de un sistema de evacuación de humos está regulada según la norma UNE
23585, [5]. Dicha norma pretende ser una herramienta para el diseño de los sistemas de
evacuación de humos.
El objetivo de un sistema de evacuación de humos es la protección de vidas, manteniendo
las vías de evacuación del edificio o nave, el control de la temperatura de los gases de
combustión, ya que una temperatura muy elevada daña partes estructurales del edificio
hasta colapsarlo, y facilitar la intervención de los equipos de bomberos para el control y
extinción del incendio.
Simplificando, el funcionamiento de un sistema de evacuación de humos se basa en dar
salida al humo por la parte superior del edificio o nave aprovechando su fuerza ascensional,
reemplazado por aire exterior que entra por las aberturas del edificio. Dicha entrada de aire
exterior va en dirección al foco del incendio y ejerce como freno a su avance hacia zonas
adyacentes.
Pág. 38
Memoria
Figura 5.1. Ilustración del funcionamiento de un sistema de evacuación de humos, [5].
Como se observa en la figura anterior el penacho de humo aumenta su diámetro a medida
que asciende al mezclarse con el aire que se encuentra, el humo cuando llega bajo la
cubierta se extiendo bajo esta hasta que encuentra una abertura y la capa de humos es
suficiente como para salir al exterior.
Los aireadores son aberturas, generalmente en cubierta, habilitadas para abrirse en caso
de incendio. Los aireadores tienen una doble funcionalidad, puesto que adicionalmente al
servicio de evacuación de humo en caso de incendio, también se emplean para la
ventilación como se explica en el apartado 5.2.
Hay muchos tipos de aireadores, pero el aireador susceptible de ser utilizado para la
incorporación al lucernario es el tipo EuroCO. Modelo constituido por la caja y las lamas de
aluminio, dichas lamas son accionadas eléctrica o neumáticamente para la abertura y el
cierre. En caso de incendio, las lamas se abren para evacuar el humo de la nave.
Dichos aireadores son los elementos del sistema de evacuación de humos de instalación
en cubierta susceptibles de ser integrado en un lucernario triangular multifuncional. La
integración se realiza mediante unos acoples o pestañas constituidos por un perfil metálico
que encaja en los perfiles del lucernario y los laterales del aireador. Se trata de alojar el
lucernario con las pestañas en el lugar del panel sándwich y sellarlo debidamente para su
impermeabilización. La pestaña debe tener más rigidez en el punto de unión, con tal fin se
refuerza con tacos de goma. Dicha pestaña se utiliza usualmente para el apoyo sobre el
zócalo en instalaciones sobre cubierta.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 39
Figura 5.2. Ilustración esquemática del acople de un aireador al lucernario triangular.
5.2. Climatización
La instalación de un tipo u otro de lucernarios repercute directamente sobre el tratamiento
climático ambiental a realizar en el interior del edificio debido a sus efectos térmicos. Esto
es debido a la sensible diferencia de carga térmica en la utilización de un tipo u otro de
lucernario.
Para realizar algún tipo de tratamiento climático ambiental en el edificio o local, son
necesarias una serie de instalaciones. Dependiendo del tipo de tratamiento estas
instalaciones serán diferentes y algunas pueden formar parte del mismo lucernario.
5.2.1.
Ventilación
La ventilación no es más que una sencilla renovación del aire interior por aire exterior. La
ventilación tiene diferentes y múltiples fines, como la propia renovación ambiental, limitar en
función de las condiciones exteriores la temperatura interior y/o la humedad interior. Para el
último fin descrito, cabe decir que la temperatura interior siempre (salvo en excepciones
concretas) es más alta que la registrada en el exterior pero más baja que la registrada en el
interior sin ventilación. Dicha limitación de temperatura no es controlable sino que depende
de la registrada en el exterior. No sólo limita la temperatura sino que el propio movimiento
Pág. 40
Memoria
de aire mejora la sensación de confort. La ventilación, dependiendo de la forma a la que se
lleva a cabo, se cataloga en:
•
Ventilación natural
•
Ventilación forzada
5.2.1.1.
o
Impulsión forzada
o
Extracción forzada
o
Ventilación forzada total
Ventilación natural
La ventilación natural es el tratamiento ambiental que aprovecha el fenómeno de la
convección. La convección da nombre al movimiento ascensional de masas de aire que es
provocado por el calentamiento de éstas y la disminución de su densidad respecto a las
masas de aire de su entorno. Al mismo tiempo que la masa de aire calentado se eleva, otra
masa de aire ocupa su lugar hasta que ésta se calienta y se eleva como su predecesora
para ser substituida por otra, y así sucesivamente hasta que el foco caliente que provoca el
aumento de la temperatura del aire circundante desaparece o no es suficiente. Tras ésta
breve explicación podría parecer que se trata de un proceso secuencial, un proceso a
pasos, nada más lejos de la realidad, éste es un proceso continuo.
En el interior de un edificio el aire se calienta debido a las cargas térmicas internas
(maquinaria, personas, etc.) y externas (radiación, infiltraciones de aire, etc.), sale por
aberturas situadas en la cubierta o la parte superior del edificio y es remplazado por aire
más fresco que entra por las aberturas de la parte inferior.
La aplicación de este tratamiento no implica ningún gasto de energía, sólo requiere la
instalación de persianas murales para la entrada del aire exterior (en parte inferior del
edificio) y compuertas cenitales para la salida del aire recalentado debido a la carga térmica
total del edificio (en la parte superior o cubierta).
En los casos en los que se requiera un caudal de aire exterior constante, la ventilación
natural no será una solución válida, puesto que el gradiente térmico, y en consecuencia el
caudal de aire, no es constante a lo largo del año. La ventilación natural no consigue una
homogeneidad de temperatura en toda la planta del edificio puesto que el aire conforme va
avanzando se va calentando, por lo que las temperaturas más frescas se registraran en las
proximidades de las entradas de aire.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 41
A tener en cuenta también en invierno, que las temperaturas del aire entrante no serán las
deseables por ser excesivamente bajas, generalmente.
5.2.1.2.
Ventilación forzada
La ventilación natural no se puede llevar a cabo siempre, porque los cerramientos
perimetrales y/o el techo no sean exteriores, porque todo y ser exteriores, estos no
disponen de espacio suficiente, porque la estructura del edificio no lo permite, etc. También
hay casos en los que la ventilación natural si es físicamente posible pero el caudal
necesario es superior a los que la ventilación natural puede ofrecer.
Cuando la ventilación natural no es viable, por los motivos expuestos o por otros, la
situación se presta a utilizar la ventilación forzada. La ventilación forzada, como su propio
nombre indica, se basa en forzar la circulación del aire necesario. Para ello se utilizan
extractores y/o ventiladores murales.
En función de los impedimentos que haya para la instalación de la ventilación natural se
emplea una extracción, una impulsión forzada o una ventilación forzada total.
•
Extracción forzada
En los casos que la cubierta no permita hacer las aberturas necesarias para la ventilación
natural y por tanto no dé el caudal necesario para evacuar la carga térmica, dicho caudal se
debería extraer. Es decir, se extraería el caudal necesario con extractores de cubierta,
entrando el aire por depresión a través de las persianas murales instaladas a bajo nivel de
la fachada.
El sistema de extracción forzada soluciona a la vez algunas de las limitaciones que se
derivan de la utilización de la ventilación natural, tales como poder disponer de una
renovación de aire constante, ya que el caudal extraído es constante, y combinar éste con
otros sistemas de extracción.
La extracción de aire puede ser conducida hacia el exterior desde las diferentes zonas con
mayor generación de calor para evacuar el calor generado lo antes posible, y así adecuar y
optimizar el tratamiento climático ambiental. Conduciendo parte de la extracción desde los
puntos donde se genera polvo o contaminantes se impide que éstos queden en el ambiente
del local.
A diferencia de la ventilación natural, la extracción forzada requiere de un consumo
eléctrico para el funcionamiento de los extractores.
Pág. 42
Memoria
Por tanto, el caudal de aire necesario no depende únicamente del gradiente térmico como
en el caso de la ventilación natural sino que también inciden otras variables a tener en
cuenta.
Se debe extraer el caudal necesario para evacuar las cargas térmicas del local. Si hay
agentes contaminantes el caudal necesario vendrá dado por el mínimo necesario para
mantener los niveles máximos permitidos de dicho contaminante. El caudal necesario
estipulado según la ocupación del local viene indicado en diferentes manuales. El máximo
de los caudales calculados es el caudal de aire necesario a extraer.
•
Impulsión forzada
En los casos que el estado, la posición o los elementos constructivos de las fachadas no
permitan hacer las aberturas necesarias para la ventilación natural y por tanto no dé el
caudal necesario para evacuar la carga térmica, dicho caudal se debería impulsar.
A falta de poder alojar las persianas murales para la entrada del aire necesario, los
ventiladores mecánicos hacen esta función. Éste aire es conducido desde el exterior a
través de cualquier paso que se pueda abrir en alguna de las fachadas, o en su defecto, a
través de la cubierta.
Con éste proceso, y si no existe ningún otro sistema de extracción de aire, el edificio estará
en sobrepresión. Fruto de ésta sobrepresión el aire saldrá por las compuertas cenitales
instaladas en la cubierta.
Al ser la entrada de aire forzada y estar el local por tanto en sobrepresión, generalmente,
no habrá infiltraciones de aire exterior, lo que hace posible el filtraje del aire entrante
independientemente de la pérdida de carga creada por los filtros. Por el mismo motivo se
puede también realizar un tratamiento térmico al aire entrante para incrementar su
temperatura con baterías de calefactoras o enfriándolo mediante paneles humidificadores.
Permite realizar una renovación de aire constante del local. Ésta renovación, es resultado
de impulsar un caudal de aire constante, dicho caudal es estimado de forma análoga al
caso de extracción forzada.
A diferencia de la ventilación natural, la impulsión forzada como en el caso de la extracción
forzada requiere de un consumo eléctrico para su funcionamiento.
A tener en cuenta también, que con la utilización de ventiladores para la impulsión del aire
al interior del local, se ha de sumar a la carga térmica total del edificio, la carga térmica
debida a los ventiladores.
Diseño de lucernario multifuncional
•
Pág. 43
Ventilación forzada total
Cuando el local no tiene ningún cerramiento en contacto con el exterior, ya sea porque sea
un sótano o cualquier otro caso. Cuando se deban cumplir unas condiciones determinadas
de presión en el local. Cuando el aire a impulsar y a extraer deban tener un filtraje o un
determinado tratamiento. En estos casos se utiliza el sistema de ventilación forzada total,
que no es más que la suma de la extracción forzada y la impulsión forzada comentadas
anteriormente. Dicho sistema se caracteriza por la suma de las características de las dos
variantes citadas.
En este caso el consumo eléctrico es más elevado que en sistemas anteriores.
5.2.2.
Enfriamiento adiabático
Las condiciones interiores del local donde se realiza una ventilación en la época de verano
en lugares de clima caluroso, generalmente, distan mucho de ser las mínimamente
aceptables.
El valor del gradiente térmico total resulta inversamente proporcional al caudal de aire
exterior a aportar. Éste hecho demuestra que no es posible obtener en el interior del local la
misma temperatura del exterior ya que esto significaría tener un gradiente nulo y por tanto
un caudal de aire exterior infinito.
Puesto que el aire introducido en el local va aumentando de temperatura por ir absorbiendo
la carga térmica. La temperatura interior será superior a la exterior. Si en el exterior se
registran temperaturas muy altas, la temperatura interior puede recibir el mismo calificativo,
ya que se está introduciendo aire a temperatura exterior.
Una forma de aumentar el grado de confort es introducir aire a temperatura inferior a la
exterior con el empleo de paneles evaporativos o cámaras de pulverización de agua. Estos
sistemas hacen bajar la temperatura del aire a costa de aumentar su contenido de agua.
En el caso de los paneles, se hace pasar el aire exterior a través de estos paneles por los
que desciende un pequeño caudal de agua. El aire exterior está caliente y no saturado por
lo que aún puede alojar más cantidad de agua, al pasar por los paneles el aire cede la
energía suficiente al agua para que ésta se evapore y fluya con él.
Dicho de otra manera, cuando el aire exterior entra en contacto con el agua que contienen
los paneles se produce la evaporación de una parte del agua, cambio de estado que
requiere la absorción por ésta de calor sensible del aire para poder llevarse a cabo, como
resultado de lo cual disminuye la temperatura ”seca” de dicho aire, al tiempo que aumenta
el contenido de humedad absoluta y el porcentaje de humedad relativa del mismo al
Pág. 44
Memoria
incorporar en su masa el agua evaporada, intercambio termohigrométrico que se traduce,
por consiguiente, en un incremento proporcional del calor latente del aire en cuestión.
Este proceso de humidificación evaporativo es adiabático, ya que no hay agentes térmicos
externos que intervengan y por tanto sólo es un intercambio de energía entre agua y aire.
Es por tanto, una cesión de calor sensible del aire al agua para obtener de ella calor
latente. Con lo que si además el agua se encuentra a la temperatura húmeda del aire, éste
no varía su entalpía, es un proceso isoentálpico. De hecho, la temperatura del agua tiende
a ser la temperatura húmeda del aire, puesto que la masa de agua recirculada es mayor al
agua evaporada, y por tanto que la aportada al proceso.
El proceso queda bien representado mediante la siguiente ilustración:
Figura 5.3. Ilustración esquemática de un sistema de evaporación adiabático mediante
paneles evaporativos.
A la práctica el resultado es un aire a temperatura más baja y con más contenido en agua.
Si el contenido de agua del aire exterior es alto, éste no absorbe agua y el proceso queda
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 45
inutilizado. Por tanto, en función del contenido de agua del aire exterior varía la temperatura
hasta la que se puede enfriar.
El resto del proceso es igual a la ventilación, eso si para poder aplicarlo debe de tratarse de
una impulsión forzada o de una ventilación forzada total, porque se debe de vencer la
importante pérdida de carga que los paneles humidificadores representan.
Como sucede en la ventilación las condiciones de temperatura y humedad del aire interior
del local dependen de las condiciones del aire exterior.
5.2.3.
Refrigeración mecánica
Cuando se requiere una temperatura o una humedad relativa constante se hace necesario
el empleo de la refrigeración mecánica, ya que permite mantener unas condiciones en el
interior constantes independientemente de las condiciones exteriores. Esta necesidad es
más importante si se desean estas condiciones constantes a lo largo de todo el año.
El elemento característico de los sistemas de refrigeración mecánica es la planta (una
planta frigorífica o bomba de calor) que suministra refrigerante a la temperatura deseada.
La forma de distribuir el refrigerante, de hacer el intercambio refrigerante-aire y de distribuir
luego este aire, entre otros aspectos, son los que diferencian unos sistemas de otros. Cada
uno de los sistemas con una escala de potencia para poder dar servicio para cada caso en
concreto.
Una posibilidad adicional que proporcionan los sistemas de refrigeración mecánica respecto
la ventilación y el enfriamiento adiabático, es la de recircular el aire interior para disminuir el
consumo energético. La razón por la cual el consumo energético es menor es porque la
diferencia de entalpía entre el aire impulsado y el aire aspirado del interior es menor que
entre el aire impulsado y el aire aspirado del exterior. La recirculación del aire es posible
siempre y cuando la concentración de contaminantes y/u otros agentes sean menores a los
máximos permitidos.
El caudal a aportar al local viene dado en función de la suma de los caudales de extracción
existentes en el local más un poco más para tener el local en sobrepresión, evitando así
infiltraciones de aire no tratado. Si no hay dichas extracciones, el caudal queda definido por
la temperatura o la humedad relativa de diseño y por el gradiente térmico aceptado en el
local (diferencia entre la temperatura de impulsión y la temperatura de recirculación fruto de
las cargas térmicas), teniendo en cuenta que parte del aire se debe renovar para cumplir la
normativa expuesta en el RITE.
Dicho aire se distribuye por el local, ya sea, de forma homogénea o puntual en función de
las necesidades que debe cumplir el sistema. Luego, el aire es absorbido del local,
Pág. 46
Memoria
recirculado para mezclarlo con aire exterior, tratado de nuevo e impulsado al interior del
local.
En los casos en los que el aire por los motivos antes expuestos no se pueda recircular, este
aire debe ser evacuado por aberturas pensadas para tal efecto, no por las rendijas. Deben
ser compuertas cenitales alojadas en cubierta o en su defecto dotar al sistema de una
extracción forzada.
5.2.4.
Elementos del sistema de climatización acoplables al lucernario
Una vez expuesto los sistemas de climatización posibles cabe determinar que elementos
pertenecientes a estas instalaciones son susceptibles de ser acoplados a los lucernarios.
Los elementos que pueden ser acoplados a los lucernarios deben ser aquellos que
normalmente estarían instalados en la cubierta, como son los aireadores.
El lucernario multifuncional sería valido para todos los tratamientos térmicos ambientales
descritos anteriormente. Alojando aireadores para la ventilación natural, la impulsión
forzada, la refrigeración adiabática y la refrigeración mecánica sin renovación de aire.
Los aireadores destinados a la evacuación de aire recalentado en el interior de la nave son
los mismos descritos en el apartado 6.1, porque los componentes de la instalación son
modelos multiuso y homologados para alta temperatura.
Cuando se proyecta una instalación para dar ambos servicios (ventilación y evacuación de
humos), el caudal necesario es el máximo resultado del cálculo de la superficie libre
aerodinámica necesaria para evacuación de humos, de acuerdo con las prescripciones
establecidas por la norma UNE 23585, [5], y del cálculo de la superficie necesaria para
obtener el caudal necesario para la evacuación de la carga térmica.
5.3. Aprovechamiento de la energía solar
La radiación solar incidente sobre los cerramientos de los edificios repercute negativamente
sobre las condiciones ambientales en el interior de dicho edificio. Parte de esta energía se
puede aprovechar mediante el empleo de instalaciones que la captan y la transforman en
energía útil, ya sea en forma de calor o de electricidad. A su vez, dichas instalaciones
sirven de pantalla para la parte de radiación solar directa que no aprovechan.
Las citadas instalaciones, aprovechan la energía del sol para transformarla en energía
eléctrica (energía solar fotovoltaica) y en energía térmica (energía solar térmica). Ambas
forman parte del llamado grupo de las energías renovables. Las energías renovables están
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 47
cada vez más presentes en el día a día de la sociedad actual, sea por la obligatoriedad de
instalarlas, por la obligatoriedad por parte del sistema eléctrico estatal de comprar la
energía eléctrica producida, por el encarecimiento de otros sistemas de obtención de
energía, por concienciación de la sociedad, o por una combinación de varios.
El número de instalaciones de energías renovables han aumentado considerablemente.
Aún así, la inversión inicial de implantación de las instalaciones de energías renovables, y
su larga amortización, son los frenos que ha tenido dicho crecimiento del número de este
tipo de instalaciones. Actualmente, sigue en aumento el número de instalaciones, pues
cada vez es más rentable, porque se mejoran los rendimientos de dichas instalaciones y los
sistemas convencionales se encarecen. Además, las instalaciones de energías renovables
están respaldadas por ordenanzas, el Código Técnico de Edificación, etc.
5.3.1.
Energía solar fotovoltaica
Una instalación fotovoltaica se constituye de diferentes elementos, pero el más importante,
sin el cual no se podría obtener la conversión directa de radiación solar a energía eléctrica,
es la célula solar.
La célula solar es una lámina de 0,3 mm de grosor y entre 100 y 256 cm2 de superficie.
Cada célula solar tiene una zona con defecto y otra con exceso de electrones. Esta
diferencia de carga en el material produce un campo eléctrico que obliga a circular a los
electrones, y por tanto, se establece una corriente eléctrica. La célula cuenta con dos
contactos eléctricos para canalizar la energía que produce cuando se la ilumina.
Las células solares se conectan en serie formando conjuntos para ser integradas en
módulos fotovoltaicos que transforman la energía del sol en electricidad de corriente
continuo de forma directa. Los conjuntos de células solares quedan encapsulados por un
vidrio templado y capas de material plástico, todo ello enmarcado por perfiles de aluminio
que lo refuerzan, son los módulos o paneles solares. Como cualquier elemento eléctrico un
módulo fotovoltaico también lleva el correspondiente conexionado eléctrico.
El voltaje que suministra un panel fotovoltaico depende del número y de cómo están
conectadas las células solares. Los voltajes estándar utilizados son múltiplos de los 12 Vcc
que suministra una asociación de 33 células en serie.
La cubierta del módulo fotovoltaico es la encargada de proteger el conjunto de los agentes
atmosféricos exteriores y permitir la transmisión de la luz solar hacia las células solares. A
su vez, las células y sus contactos eléctricos están protegidos por su propia capsula de
etileno-vinilo-acetato (EVA), que resisten los efectos de las radiaciones ultravioletas,
transmiten la radiación solar hacia las células solares y da cierta elasticidad al conjunto
Pág. 48
Memoria
para resistir posibles vibraciones. La protección posterior contra los agentes atmosféricos
exteriores y la humedad, de los módulos fotovoltaicos, son del mismo material que las
cápsulas (de EVA). El marco del módulo fotovoltaico da rigidez al conjunto y permite
situarlo sobre estructuras para su sustentación. Generalmente, el marco es de aluminio
anodizado provisto de anclajes para su colocación en el soporte.
Cada módulo fotovoltaico tiene su curva intensidad-tensión que lo caracteriza, así como su
intensidad de cortocircuito (Icc), su tensión en circuito abierto (Vco), su intensidad de
máxima potencia (Imax) y su tensión de máxima potencia (Vmax). Estos dos últimos puntos
determinan el punto de máxima potencia en la citada curva, dicha potencia corresponde
2
con la potencia nominal de cada aparato cuando la radiación solar es de 1.000 W/m . La
curva característica varía en función de la radiación y de la temperatura a la que está
sometido el módulo fotovoltaico.
El número de módulos y la combinación de éstos, depende de las necesidades de potencia
eléctrica del edificio. Hay módulos que ofrecen 12 V o 14 V, el más común es el de 12 V.
Para el dimensionado de la instalación, las variables determinantes son la radiación solar
incidente y las necesidades de energía necesarias a cubrir. En función de dichas variables
aplicando la recomendación comentada se obtiene el número de módulos necesario, el
acumulador necesario y la sección de los conductores según el “Reglamento Electrotécnico
de Baja Tensión”.
Las instalaciones de energía solar fotovoltaica normalmente están conectadas a la red
eléctrica.
La instalación sólo consta de dos elementos básicos diferenciados de cualquier otra
instalación eléctrica, un conjunto de módulos fotovoltaicos y un convertidor electrónico que
transforma la energía que suministran los módulos en forma de corriente continua, en
corriente alterna de las mismas características que la corriente de la red eléctrica.
Además de estos elementos, y según normativas, serán necesarios más o menos
protecciones eléctricas o instrumentos de medida.
En resumen, el funcionamiento de este tipo de instalaciones se basa en captar la energía
radiante solar, transformarla en energía en forma de corriente continua, el convertidor
electrónico transforma la corriente continua en corriente alterna y se vuelca a la red
eléctrica. El edificio que incorpora esta instalación tendrá dos circuitos eléctricos propios e
independientes, el circuito destinado a la producción solar y el de consumo propio.
El período de amortización, que se estima en 11 años, continua siendo elevado para
especular con dicho sistema. Pero la integración en edificios, sustituyendo otros elementos
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 49
propios de dichos edificios aumenta su rentabilidad. Lo que no se cuestiona, es la
rentabilidad social, como energía limpia que es.
5.3.2.
Energía solar térmica
Una instalación de energía solar térmica consta de diferentes componentes. El componente
básico es el captador solar, es el elemento que captura la energía del sol y la introduce al
sistema cediéndolo en forma de calor al fluido térmico. En el mercado existen diferentes
tipos de captadores solares, cada uno se adapta a unas necesidades concretas de
utilización.
Para unas necesidades de temperatura relativamente bajas (<100ºC), como ACS,
climatización de piscinas o calefacción se utilizan los captadores solares planos. El uso de
este tipo de captadores se ha extendido rápidamente por motivos de obligatoriedad en
determinadas instalaciones, por su mejor relación coste/efectividad en comparación con los
captadores de concentración y porque se adapta correctamente a gran número de
aplicaciones.
Los captadores planos pueden ser verticales u horizontales. Los verticales tienen un mejor
funcionamiento por la mayor estratificación que se crea en su interior, cosa que implica un
mayor incremento de temperatura y por tanto un buen rendimiento. Los captadores planos
horizontales tienen menor rendimiento, y por eso, únicamente se utilizan cuando estos
quedan mejor integrados en el edificio.
El principio de funcionamiento de un captador solar plano es sencillo, utiliza el efecto que
tiene cualquier cuerpo expuesto a la radiación solar, el calentamiento y su consiguiente
aumento de temperatura.
Un cuerpo que recibe energía radiante se encuentra en equilibrio con su entorno cuando la
energía recibida es igual a la energía emitida hacia el entorno. Las temperaturas de
equilibrio de los captadores solares planos varían entre 100 y 170ºC (para un nivel de
radiación de 1.000 W/m2) en función de su rendimiento. Si se hace pasar un fluido que
refrigere el captador, la energía que se cede al entorno disminuye porque la temperatura de
dicho captador disminuye. El calor absorbido por el refrigerante es energía calorífica útil.
Por tanto, cuanto más se consiga bajar la temperatura del captador mayor será la energía
útil.
El rendimiento del captador solar es la relación entre la energía útil y la recibida.
Pág. 50
η=
Eútil
Eútil
=
Erecibida Eemitida + Eútil
Memoria
(Ec. 5.1)
Con el fin de mejorar el rendimiento de los colectores se diseñan colectores que
aprovechen más la energía recibida por superficie, son los colectores de superficie
selectiva. El rendimiento se mejora también reduciendo la temperatura del colector, ya que
tanto la energía emitida como la energía útil dependen de la temperatura del captador.
Una instalación de energía solar térmica consta del campo de captación solar, del sistema
de acumulación de calor, del sistema de apoyo y del sistema de regulación y control.
Los paneles solares pueden estar colocados en serie, en paralelo o una combinación de
ambos. En conexiones en serie se obtienen temperaturas más altas que con un solo
captador solar. Con el aumento de la temperatura se incrementan las pérdidas de calor
debidas a la emisión de calor al entorno y por tanto el rendimiento decrece. El RITE no
permite el acoplamiento de más de tres captadores solares en serie. La conexión en
paralelo es la más habitual por el mayor rendimiento que tiene.
Cuando la temperatura necesaria es elevada se deben conectar algunos captadores en
serie para aumentar la temperatura de salida. Por ejemplo, se pueden conectar de dos en
dos. Esto es una conexión mixta, ya que, algunos paneles están en serie y otros en
paralelo.
Los sistemas de energía solar térmica se pueden clasificar en instalaciones de circuito
cerrado o abierto. En circuito abierto, el agua de consumo es el mismo líquido que circula
por el interior de los paneles solares. En cambio, en circuito cerrado, el agua de consumo
se calienta por intercambio de calor con el fluido térmico que circula por los captadores, sin
mezclarse.
Los sistemas de circulación forzada, son los más utilizados para las grandes instalaciones.
Generalmente, en estas instalaciones los acumuladores no pueden estar a un nivel más
elevado que los paneles solares, y por tanto estos no estarían situados en la parte más
caliente del circuito. Además, los acumuladores deben estar en plantas inferiores, hecho
que provoca una pérdida de carga demasiado elevada y la zona más caliente del circuito
son los captadores, todo ello imposibilita la circulación natural. El agua circula por el
impulso de una bomba hidráulica situada cerca de la entrada a los captadores. Las
instalaciones de circulación forzada suelen ser de circuito cerrado. Dichas instalaciones
necesitan de un control y regulación que actúe en función de si la temperatura en los
captadores es superior a la del acumulador, el termostato diferencial desempeña esta
función, aunque hay otras soluciones más complejas.
Diseño de lucernario multifuncional
5.3.3.
Pág. 51
Elementos necesarios para el acople al lucernario
Generalmente, los módulos solares deben ir sujetos a una estructura para su debida
sustentación. Este soporte debe aguantar los fuertes vientos, ya que los módulos tienen
muy poco peso y mucha superficie, esto provoca muchos esfuerzos para los que el soporte
debe estar dimensionado.
Los esfuerzos a los que están sometidos los módulos fotovoltaicos son como causa del
viento de Norte, puesto que incide perpendicularmente sobre el módulo y que produce un
esfuerzo de tracción sobre los elementos de unión.
Para dichos soportes se utilizan materiales que resistan los agentes atmosféricos y tengan
resistencia a la tracción como el acero inoxidable o el aluminio. Las uniones son de acero
inoxidable, entre éstas y los materiales metálicos que unen pertenecientes a la estructura
debe haber arandelas plásticas para evitar corrosiones galvánicas.
La orientación de los módulos fotovoltaicos debe ser Sur (en el hemisferio Norte). La
inclinación de la estructura metálica que hace de soporte debe ser la de diseño para el
módulo. Dicha inclinación depende de la latitud y si el uso es mayor en verano, en invierno
o es constante. Pero en general, la inclinación estará entre los 20º por encima o 10º por
debajo de la latitud del lugar.
El lucernario triangular multifuncional está basado en una estructura de aluminio anodizado,
tiene la cara Sur practicable y dicha cara está inclinada 30º. El lucernario triangular se
descubre como una estructura totalmente aprovechable para incorporar los paneles solares
en su cara orientada al Sur.
La incorporación de los paneles solares al lucernario se realiza mediante una pestaña como
la utilizada para el caso de la incorporación de aireadores para evacuación de humos y
ventilación diaria explicada en el apartado 5.1. Es una pestaña con la particularidad de ser
adaptadas para funcionar como perfil de sujeción. Como se observa en la siguiente figura,
se trata de una pestaña acoplada a un perfil en “U” que hace de apoyo para el captador
solar. El peso de los módulos es pequeño, el peso normal en funcionamiento de un
captador solar térmico (son los más pesados), con las medidas no superiores a las del
panel sándwich al que sustituyen, está comprendido entre 40 y 50 kg. Este peso va
repartido en todos los perfiles del lucernario, con lo que no hay peligro alguno.
Pág. 52
Memoria
Figura 5.4. Ilustración esquemática del acople de módulos solares al lucernario triangular.
Igualmente, los fabricantes de captadores solares suministran también sus propios perfiles,
y dichos perfiles son acoplables al lucernario, como el que se observa en la figura siguiente.
Figura 5.5. Perfil de montaje, [14].
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 53
6. Descripción del sistema solución
Con el fin de concebir un producto que reúna las características y cumpla los objetivos para
los que se diseña, se debe realizar un análisis funcional en el que los objetivos se
desglosan en funciones, y éstas, en componentes o partes del producto que realizan dichas
funciones.
6.1. Análisis funcional
Mediante el desglose de la idea primitiva de mejorar la eficiencia energética de un edificio
en varios objetivos, se clarifica el camino a seguir para llevar a cabo dicha idea mediante un
producto o artefacto. A medida que se avanza en el desglose de los objetivos, estos son
más concretos, concluyendo el desglose con los materiales o artefactos necesarios para
cumplir la función de la que derivan.
La combinación de dichos artefactos o componentes da pié a diferentes soluciones, son las
alternativas. Luego, la descripción final del producto se hace tras evaluar cada una de las
alternativas propuestas.
El siguiente árbol de funciones refleja los objetivos a cumplir y como se cumplen.
Figura 6.1. Árbol de funciones básicas.
Pág. 54
Memoria
Tal y como se observa en la figura 6.1 anterior, una de las maneras de cumplir los objetivos
propuestos es mediante la utilización de lucernarios para la iluminación natural, reduciendo
el consumo eléctrico debido al alumbrado.
Para minimizar el consumo eléctrico debido al tratamiento climático que se hace en el
interior de la nave, se debe priorizar la ventilación natural y la humidificación adiabática, en
los casos que sea posible, por su bajo consumo energético, frente a la refrigeración
mecánica. Dicho consumo eléctrico debido al tratamiento ambiental de la nave, se reduce
con la minimización de la carga térmica de ésta. Esto se consigue apantallando la radiación
solar directa y orientando las superficies transparentes, superficies necesarias para
transmitir luz natural al interior de la nave, hacia el Norte.
Un edificio autosuficiente es aquel que produce1 aquello que le es necesario. Los edificios
son grandes consumidores de energía, normalmente dicha energía les viene de fuera, si
una parte de esta energía se produce en el edificio, dicho edificio aumenta su grado de
autosuficiencia, si esa energía es renovable este edificio aumenta su eficiencia energética.
La generación de energía térmica y/o eléctrica mediante paneles solares térmicos y/o
fotovoltaicos, respectivamente, es una opción.
Las conclusiones a las que se llegan tras el desglose de los objetivos se pueden aplicar a
un único producto, ya que son complementarias y no excluyentes entre ellas.
El elemento que se deduce de dichas conclusiones, es un lucernario con su superficie
transparente sensiblemente vertical y orientada al Norte, y que integra paneles térmicos
solares, paneles fotovoltaicos o compuertas cenitales multiuso.
Paralelamente, el lucernario debe cumplir unos requisitos mínimos, con el fin de presentar
unas garantías de seguridad, independientemente de las condiciones del medio exterior o
del proceso en el que se encuentre (fabricación, distribución, montaje o uso).
1
Entiéndase consumir o producir la energía como el proceso de transformación necesario para llevar
a cabo la labor para la cual está destinado un edificio o una nave.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 55
Figura 6.2. Árbol de funciones secundarias.
Dichos mínimos requisitos son los que marcan, en gran parte, los materiales a utilizar para
la construcción del lucernario.
En conclusión, la estructura está formada por el número de perfiles imprescindibles. Dichos
perfiles son de esquinas redondeadas evitando el ángulo recto. El acabado superficial del
aluminio es anodizado para aumentar la resistencia a la corrosión y darle el color deseado.
La superficie transparente es de policarbonato celular de 10 mm. porque presenta una
excelente resistencia al impacto y a los rayos solares. La resistencia al impacto de una
placa de policarbonato es muy superior a la del vidrio como se muestra en la figura
siguiente.
Pág. 56
Memoria
Figura 6.3. Resistencia al impacto de una placa de policarbonato, [9].
El policarbonato multicelular no sólo es más resistente que el vidrio si no que es mejor
aislante térmico, mantiene sus propiedades entre -40 y 120 ºC y no precisa ser limpiado,
puesto que con la lluvia se limpia.
La placa de policarbonato transparente tiene espacio suficiente para expandirse, y en dicha
expansión no hace ruido por la utilización de gomas tipo EPDM, para su sujeción al
lucernario. El coeficiente de dilatación del policarbonato es 0,065 mm/m·ºC y el del aluminio
es 0,025 mm/m·ºC. En la figura siguiente se muestra un nomograma con los huecos a
respetar para la expansión del policarbonato.
Figura 6.4. Hueco requerido para la dilatación del policarbonato, [8].
Pág. 57
Diseño de lucernario multifuncional
Teniendo en cuenta las consideraciones descritas, en la siguiente tabla se muestran los
componentes que hacen posible las funciones detalladas en los árboles de funciones de las
figuras 6.1 y 6.2.
Función
Utilizar lucernarios para
iluminación natural
Orientar las superficies
transparentes hacia el
Norte
Apantallar la radiación
solar
Utilizar compuertas
cenitales para evacuación
de humos
Utilizar compuertas
cenitales para ventilación
diaria
Utilizar paneles solares
térmicos
Utilizar paneles solares
fotovoltaicos
Criterio
Nivel de
iluminación
Unidad
Carga térmica
W/m2
En función de las necesidades
térmicas de la propiedad
+/- 10 %
Carga térmica
W/m2
En función de las necesidades
térmicas de la propiedad
+/- 10 %
m2
La indicada en la norma UNE
23585
+/- 10 %
Compuertas
cenitales
m2
En función de las necesidades
térmicas de la propiedad
+/- 10 %
Compuertas
cenitales
Superficie
aerodinámica
necesaria
Superficie
aerodinámica
necesaria
Potencia
térmica
necesaria
Potencia
eléctrica
necesaria
lux
W
W
Anclar al zócalo
Par de apriete
N·m
Dejar espacio para la
dilatación térmica del
policarbonato
Distancia
mm
Utilizar aluminio anodizado
Evitar los cantos “vivos”
Utilizar métodos de
fabricación idóneos
Minimizar elementos
Resistencia a
la corrosión
Ángulos
cerrados
Materiales y
componentes
no
contaminantes
Número de
elementos
º
Nivel
El mínimo indicado en la norma
UNE 12464-1
En función de las necesidades
térmicas de la propiedad y
acorde con el CTE
En función de las necesidades
térmicas de la propiedad y
acorde con el CTE
Distancia necesaria para la
dilatación térmica
Tolerancia
Pieza
+/- 10 %
Lucernario
Pieza de
material
transparente
Pieza opaca
de material
reflectante y
aislante
Paneles
solares
térmicos
Paneles
solares
fotovoltaicos
Elementos de
unión
normalizados
+/- 10 %
+/- 10 %
+/- 10 %
Permanecer inalterado ante los
agentes atmosféricos adversos
Los ángulos rectos son
redondeados
Números
naturales
El menor posible por diseño
Resistir las condiciones de
transporte
Energía de
impacto
J
Resistir golpes
Facilitar la manejabilidad
Peso
Kg
Minimizar el peso
Placas de
policarbonato y
aluminio
Placas de
policarbonato y
aluminio
Tabla 6.5. Funciones que ha de cumplir el producto y que componentes lo hacen.
De todas estas funciones y componentes se derivan las alternativas que dan lugar a la
solución más idónea, la descripción de dichas alternativas se expone en el apartado 7.3.
En las figuras 6.1 y 6.2 se muestran las funciones a cumplir por el producto objeto del
presente Proyecto, dichas funciones afectan a los usuarios de maneras diferentes, en
función de su naturaleza.
Pág. 58
Memoria
6.2. Interacción entre funciones y usuarios
Ya se ha comentado la afectación del lucernario sobre los usuarios de forma general, ahora
particularizado por funciones y usuarios se muestran en las siguientes tablas.
USUARIOS PRINCIPALES
Utilizar la ventilación natural
Apantallar la radiación solar
directa
Orientar las superficies
transparentes hacia el Norte
Iluminar con luz natural
Transformar parte de la
radiación solar en energía
eléctrica
Transformar parte de la
radiación solar en energía
térmica
Resistir los golpes
Propiedad
X
Trabajador
X
Cliente
X
Sociedad
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Vándalo
X
Tabla 6.6. Funciones que afectan a los usuarios principales.
Las funciones básicas reflejo de los objetivos principales a cumplir por el lucernario, afectan
a los usuarios principales o habituales. Tanto la Propiedad como la sociedad se ven
beneficiados por el cumplimiento de los objetivos señalados en la figura 8.6, la primera por
reducir el gasto energético y la segunda por reducir de las emisiones. En cambio, los
trabajadores y los clientes que ocupan el edificio se benefician de las mejoras en el
ambiente luminoso y las condiciones ambientales interiores. Las primeras debidas a la
utilización de la luz natural, y las segundas, fruto de utilizar la ventilación natural y de
impedir la entrada de radiación solar directa.
Las funciones derivadas de objetivos secundarios dedicadas a mejorar los procesos por los
que el lucernario debe pasar como son los de fabricación, manipulación, transporte, etc.
afectan a otro tipo de usuarios en el ciclo de vida del lucernario.
USUARIO FABRICACIÓN
Propietario
Trabajador
X
X
Minimizar elementos
Utilizar métodos de fabricación
X
X
idóneos
X
Evitar cantos “vivos”
Terceros
X
Tabla 6.7. Funciones que afectan a los usuarios en la fabricación.
Durante el proceso de fabricación, el propietario de la fábrica le interesa reducir costes, una
opción es minimizar convenientemente los elementos del lucernario y utilizar métodos
idóneos de fabricación ahorrando energía y evitando la creación de residuos extra. Esto
también repercute en el trabajador, puesto que si hay menos elementos aumenta la
manejabilidad y si los métodos de fabricación son buenos se requiere un menor desgaste
Pág. 59
Diseño de lucernario multifuncional
por parte del operario. Además, evitando los cantos “vivos” o ángulos cerrados se aumenta
la seguridad física de los trabajadores. Utilizando métodos idóneos de fabricación se ahorra
energía y se evita la creación de residuos extra por lo que la población cercana a la fábrica
(terceros) se ve beneficiada.
USUARIO COMERCIALIZACIÓN
Propietario
Competencia
X
X
Utilizar la ventilación natural
Minimizar la entrada de
X
X
radiación solar directa
X
X
Utilizar luz natural
Transformar parte de la
X
X
radiación solar en energía
eléctrica
Transformar parte de la
X
X
radiación solar en energía
térmica
Proteger de los agentes
X
X
externos
Comercial
X
X
X
X
X
X
Tabla 6.8. Funciones que afectan a los usuarios en la comercialización.
Las funciones dirigidas a prestar los servicios del producto y su resistencia a las
inclemencias atmosféricas, son bazas a presentar por parte del comercial, que la
competencia debe igualar si quiere competir, y que por tanto repercute sobre el propietario
del comercio.
USUARIO LOGISTA
Minimizar elementos
Resistir las condiciones de
transporte
Facilitar la manejabilidad
Simplificar los elementos de
unión
Evitar cantos “vivos”
Sustitución y
reciclaje
X
Transportista
Instalador
Mantenimiento
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Tabla 6.9. Funciones que afectan a los usuarios en la distribución, instalación, el
mantenimiento, la sustitución y el reciclaje.
La minimización del número de elementos, el facilitar la manejabilidad y la resistencia a las
condiciones de transporte benefician a todos los usuarios en la distribución, instalación, el
mantenimiento, la sustitución y el reciclaje. En cambio, simplificar los elementos de unión y
evitar los ángulos agudos no le afecta al transportista porque él no toca los componentes,
el resto de usuarios comentados si se beneficia por dichas funciones.
6.3. Descripción de alternativas
Las funciones y los componentes comentados en el apartado anterior son el origen de las
posibles alternativas.
Pág. 60
Memoria
La primera disertación sobre las posibles alternativas es acerca de su forma. La planta más
adecuada del lucernario es la rectangular por sus posibilidades de adaptación y de
configuración, ya sea de un lucernario con otro y de éste con las formas generalmente
rectangulares de la cubierta.
El perfil del lucernario más sencillo para apantallar la radiación solar y a la vez reducir la
entrada de la componente directa de dicha radiación es con un lucernario con perfil
triangular. Otro perfil, como por ejemplo el cuadrado, añadiría un costado más con lo que
se complican todos los procesos, y con el perfil en semicírculo, resultaría una superficie
transparente ínfima, a la vez que complicaría la incorporación de cualquier servicio
adicional.
Determinados la planta y el perfil del lucernario, la forma básica de dicho lucernario no
queda definida sin concretar los ángulos de los vértices del perfil del lucernario. La elección
de dichos ángulos repercute en la mayor o menor entrada de radiación solar directa, y por
tanto, modifica el nivel con el que se cumplen los objetivos establecidos para el diseño del
lucernario. En función de dicho nivel se puede implementar el lucernario con unos ángulos
u otros.
El ángulo óptimo para apantallar la suficiente radiación solar directa sin perjudicar en
exceso el aporte de luz al interior de la nave es de 30º, es decir una inclinación de la cara
del lucernario orientada al norte de 60º. La componente difusa de la radiación solar
representa 150 lux/W/m2 y la componente directa 90 lux/W/m2.[4]
Inclinación (º)
Radiación solar directa (W/m2)
Radiación solar total (W/m2)
Luz directa (lux)
Luz difusa (lux)
Luz total (lux)
0º
842
960
75787
17658
93445
15º
749
868
67376
17848
85224
30º
604
727
54374
18404
72778
45º
419
547
37666
19289
56955
60º
204
341
18391
20442
38833
75º
0
145
0
21785
21785
90º
0
155
0
23226
23226
Tabla 6.10. Radiación solar directa y total, luz difusa, directa y total, para día soleado,
Latitud 40º Norte, en el mes de Junio a las 12h, hora solar.
Inclinación (º)
Radiación solar directa (W/m2)
Radiación solar total (W/m2)
Luz directa (lux)
Luz difusa (lux)
Luz total (lux)
0º
401
452
36101
7673
43774
15º
180
232
16171
7773
23944
30º
0
54
0
8068
8068
45º
0
57
0
8536
8536
60º
0
61
0
9147
9147
75º
0
66
0
10621
10621
90º
0
71
0
10621
10621
Tabla 6.11. Radiación solar directa y total, luz difusa, directa y total, para día soleado,
Latitud 40º Norte, en el mes de Diciembre a las 12h., hora solar.
En las tablas anteriores se observa que la inclinación de la cara Norte de 60º significa una
aportación de luz suficiente sin aumentar la carga térmica de la nave debido a la radiación
solar incidente.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 61
Para recintos en los que se requiera una alta intensidad de iluminación cenital, y por
consiguiente, una elevada superficie de entrada de luz difusa por unidad de superficie de
lucernario, la disposición tipo de éste presentará diversas variantes, que abarcarán desde
una menor inclinación de la cara Norte transparente, a la utilización también, parcial o total,
de la cara opuesta como superficie transparente, protegida con persianas externas de
lamas fijas u orientables automáticamente en función del recorrido diurno del sol, a fin de
evitar la incidencia directa de la radiación solar sobre dicha superficie adicional.
Cuando las necesidades de iluminación natural no son tan exigentes, el cerramiento de la
cara orientada al Sur es opaco mediante paneles de aluminio en doble cara, a fin de utilizar
la elevada capacidad reflectante de la superficie de dicho metal a la radiación solar, tanto
para que la cara externa del módulo refleje dicha radiación de nuevo al espacio, reduciendo
con ello la carga térmica sensible total de la nave, como para que la cara interna refleje y
difunda con mayor eficiencia en el recinto la luz difusa visible entrante por la superficie
transparente del lucernario.
Dichos paneles de la cara del lucernario orientada hacia el Sur son sustituidos, si se precisa
de los servicios de evacuación de humos, ventilación, y/o producción de energía térmica y/o
eléctrica.
La inclinación necesaria para un óptimo rendimiento de los paneles solares térmicos es
determinada en función de cual es el periodo del año en el que más se requieren dichos
servicios. En el caso de grandes naves industriales o comerciales, la norma general es una
necesidad aproximadamente constante a lo largo del año.
Lo recomendable, según los manuales de instalaciones de energía solar, [6], es:
•
En las instalaciones de uso estival tengan una inclinación de captadores = [Latitud
del lugar – 10 º], en Cataluña eso supone 30º – 35º.
•
En instalaciones de uso invernal la inclinación de captadores = [Latitud del lugar +
10 º], en Cataluña, 50º – 55º.
•
En instalaciones de uso continuo a lo largo del año los captadores deben tener una
inclinación similar a la del invierno porque es la época más desfavorable dada la
baja radiación disponible.
Por lo tanto, la inclinación de la cara Sur del lucernario más adecuada para la ubicación de
paneles solares es aproximadamente de 45º. Pero, para un buen apantallamiento de la
radiación solar una inclinación de 30º es la idónea. En la siguiente tabla se resume la
radiación solar media diaria en función de la inclinación y del mes.
Pág. 62
Memoria
Inclinación
30º
45º
Diferencial
10,57 MJ/m2/día
11,86 MJ/m2/día
-12,2%
Febrero
13,64
14,71
-7,8%
Marzo
17,46
17,9
-2,5%
Abril
20,71
20,08
3,0%
Enero
Mes
Mayo
22,62
20,98
7,3%
Junio
23,32
21,14
9,3%
Julio
23,09
21,15
8,4%
Agosto
21,79
20,74
4,8%
Septiembre
19,05
19,1
-0,3%
Octubre
15,21
16,09
-5,8%
Noviembre
11,56
12,82
-10,9%
Diciembre
9,53
10,8
-13,3%
17,4
17,29
0,6%
Media anual
Tabla 6.12. Tabla de radiación solar global diaria sobre superficies inclinadas (MJ/m2/día)
en Manresa para azimut 0º, [2].
La diferencia observada en la tabla 6.12 entre la radiación solar incidente entre una
superficie inclinada 30º y otra 45º representa una disminución 0,6% de esta radiación solar
media anual. También se observa que en los meses de invierno es mayor la radiación solar
incidente sobre superficies más inclinadas. En el caso de una demanda más o menos
uniforme, colocar los paneles solares térmicos a 30º de inclinación representa una ligera
pérdida en los meses de invierno, concretamente en el mes más desfavorable en términos
relativos del 13,3%.
En consecuencia, en función de las necesidades, los paneles solares térmicos se instalan a
45º ó 30º de inclinación, esto se deriva en dos posibles alternativas.
•
La colocación en la cara Sur del lucernario de 30º de inclinación a 30º.
•
La colocación en la cara Sur del lucernario de 45º de inclinación a 45º.
En el caso de los paneles solares fotovoltaicos, importa más la cantidad total de radiación
solar incidente, puesto que la demanda de energía eléctrica es constante a lo largo del año,
y en caso de no serlo la energía producida no cubriría el 100% de la demanda y, en
consecuencia, siempre se consume energía de la red eléctrica.
El accionamiento de las compuertas y/o de las persianas exteriores para la regulación de la
radiación solar incidente podrá correr a cargo de servomotores eléctricos alimentados por
dichos paneles fotovoltaicos, si es el caso.
En el caso de ventilación y evacuación de humos es también posible incorporar las
compuertas en la cara orientada al Norte, ya que también existen en el mercado
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 63
compuertas con superficie transparente. La incorporación de dichos servicios se hace
mediante pestañas de grosor similar al panel que sustituyen y que encajan de igual manera
que éstos en los perfiles metálicos que conforman la estructura del lucernario.
En el apartado del análisis de funciones, se han determinado los materiales que constituyen
el lucernario por sus propiedades para facilitar la fabricación, la distribución, el montaje, el
mantenimiento, la sustitución y el posterior reciclado. No se ha determinado como
estandarizar las medidas del lucernario. En función de las características físicas de la
cubierta de la nave y sus necesidades de iluminación, la longitud del lucernario es variable.
La implementación de dicho lucernario en módulos la suma de los cuales resulte la longitud
deseada constituye una normalización de medidas que favorece los procesos enunciados.
Las dimensiones de dichos módulos son determinadas por las medidas estandarizadas de
sus componentes, séase la placa de policarbonato o el panel sándwich. Una medida
estandarizada es la anchura métrica de la placa de policarbonato, el módulo ocupa algo
más por las dimensiones del perfil, totalizando 1.040 mm. Las longitudes de la placa de
policarbonato y del panel sándwich dependen de la forma del perfil del lucernario que se
adopte, en el caso del perfil de lucernario triangular rectangular con inclinación de la cara
Sur de 30º, las medidas de referencia para la placa de policarbonato es 1.250 mm. y para
el panel sándwich 2.000 mm., quedando una abertura de una cara a otra de 2.320 mm.
Resumiendo, las alternativas varían en función de las necesidades que se quieran
satisfacer. La siguiente ilustración sirva como resumen.
Figura 6.13. Presentación de las alternativas que se tienen en cuenta.
Pág. 64
Memoria
Las alternativas que resultan se valoran para la determinación de la más adecuada
siguiendo criterios técnicos, económicos, ambientales y sociales. En la tabla siguiente se
observa la valoración de dichas alternativas.
5
5
1
6
9
2
8
9
Alternativa
3
4
5
7
9
9
5
9
9
6
6
9
2
8
8
8
9
9
9
2
8
8
8
9
9
9
5
3
2
2
2
2
5
3
3
5
5
5
5
5
9
9
8
9
9
9
9
8
6
9
8
7
6
5
7
9
8
9
9
9
9
8
6
9
8
6
5
4
9
9
8
9
9
9
9
8
6
9
8
7
5
4
7
9
8
9
9
9
7
8
6
9
8
7
6
5
5
9
8
9
9
9
7
8
6
9
8
6
5
4
7
9
8
9
9
9
7
8
6
9
8
7
5
4
4
4
3
3
4
3
3
Usuarios
Operarios
Vigente
4
2
5
4
1
3
5
9
9
7
8
10
5
9
7
6
6
10
5
9
8
7
5
10
5
9
9
7
8
10
5
9
7
6
6
10
5
9
8
7
5
10
Futura
3
10
10
10
10
10
10
Energética
Española
Europea
4
2
2
10
10
10
7,9
10
10
10
7,5
10
10
10
7,6
10
10
10
7,8
10
10
10
7,4
10
10
10
7,5
Criterio
Técnico
Características
Ahorro energético
Fiabilidad
Ambiental
Ahorro energético
Creación
Fin de vida
Económico
Social
Sostenible
Coste unitario
Inversion inicial
Período
amortización
Interés mercado
Mantenimiento
Coste total
Aceptación
Flexiblilidad de
Adaptación a
normativa
Peso
Rendimiento lumínico
Multifuncionalidad
Rendimiento de
paneles térmicos
Rendimiento de
paneles fotovoltaicos
Superficie transparente
Paneles sándwich
Estructura
Acople servicios
Impermeabilización
Componentes
Maquinaria
Reciclable
Desmembrar
Tabla 6.14. Valoración de las alternativas que se tienen en cuenta.
Según los criterios expuestos anteriormente, conforme se han desarrollado las alternativas,
la alternativa más adecuada es la número 1. La propuesta más adecuada, o que satisface
de forma más general las necesidades que tiene una nave industrial o comercial de ciertas
dimensiones, no es la solución óptima para todos los casos. Para casos concretos las otras
alternativas son perfectamente válidas o incluso mejores. Es conveniente tener en cuenta
dichas alternativas como variante a la solución general dentro de una gama de lucernarios
estandarizados.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 65
6.4. Descripción del sistema
En el presente Proyecto, se presenta la alternativa más adecuada o que es más
susceptible de tener más aceptación en el mercado por cumplir las necesidades habituales
de una nave industrial o comercial.
6.4.1.
Descripción física
El lucernario objeto del presente Proyecto está constituido por módulos individualizados de
sección triangular con ángulos de inclinación respecto la horizontal de su cara Norte de 30º
y de 60º de su cara Sur. Dichos módulos son de 1.040 mm. de anchura, están constituidos
por una estructura de perfiles de aluminio extrusionados, conformando, una cara
transparente y orientada al Norte, con paneles de policarbonato celular de 10 mm. de
grosor, mientras la cara opuesta, está conformada por paneles tipo sándwich de 20 mm. de
grosor con recubrimiento de aluminio y aislamiento de lana de roca.
Las medidas de las caras Norte y Sur vienen determinadas por las dimensiones de
referencia para la placa de policarbonato de 1.250 mm. y para el panel sándwich de 2.000
mm., quedando una abertura de cara a cara de 2.320 mm.
La placa de policarbonato va sujeta al lucernario mediante tacos de goma tipo EPDM.
Los paneles laterales, en forma triangular, son de panel sándwich con las mismas
características que el panel de la cara Sur o de policarbonato para aumentar el aforo de lua
natural.
La cara Sur es susceptible de incorporar paneles térmicos solares, paneles fotovoltaicos y
compuertas cenitales multiuso. La incorporación de dichos paneles y de las compuertas se
realiza mediante el acople de una pestaña, que encaja en el lugar donde por defecto se
aloja el panel sándwich, y queda sujeta al lucernario.
Los lucernarios se enmarcan sobre un zócalo debidamente impermeabilizado y elevado
300 mm. sobre el nivel de la cubierta exterior de la nave. La cantidad y distribución de los
lucernarios se determina en función de las necesidades de iluminación natural específicas,
en cada caso.
Pág. 66
Memoria
Figura 6.15. Ilustración de la unidad con un aireador incorporado (ver plano nº3).
6.4.2.
Descripción funcional
El lucernario descrito en el apartado anterior destaca por su sencillez de funcionamiento, su
fácil adaptación a la cubierta, el ahorro energético que produce, y sobretodo, la
incorporación de servicios adicionales.
La radiación solar directa es en gran parte reflejada por la superficie de aluminio de la cara
Sur del lucernario, mientras por la cara Norte transparente deja pasar un elevado índice de
luz cenital difusa, minimizando, o evitando por completo, el paso de radiación solar
infrarroja, y de la consiguiente carga calorífica.
El diseño del lucernario en módulos individuales normalizados, con estructura metálica
ligera, dispuestos para incorporación sobre aberturas continuas o discontinuas a practicar
en cubierta.
Para la configuración de un lucernario de una determinada longitud se añaden módulos
desprovistos de los paneles triangulares laterales, excepto los dos extremos, hasta llegar a
la longitud deseada.
Dicho lucernario tiene practicable la cara Sur de tal manera que permite la prestación de
servicios adicionales, además del de iluminación natural, incorporando en los citados
módulos los servicios necesarios.
La obligatoriedad de disponer de un sistema de evacuación de humos en las naves
industriales o comerciales de cualquier tipo, obliga a perforar la cubierta para instalar las
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 67
necesarias compuertas cenitales multiuso. El número de perforaciones se reduce si dichas
compuertas se incorporan al lucernario. Las compuertas dan servicio de evacuación
controlada de humos, en caso de incendio y de salida de aire caliente por convección, en
sistemas de tratamiento ambiental que la requieren, como la ventilación o la humidificación
adiabática.
Permite también, la incorporación de paneles térmicos solares generadores de agua
caliente, para servicios de calefacción y ACS, o para constituirse en foco caliente para
bombas de calor agua/agua y grupos frigoríficos de absorción para agua fría.
Otra alternativa complementaria es la colocación de paneles fotovoltaicos, para generación
de energía eléctrica, ya sea para conectar a la red o autoconsumo.
Los paneles solares térmicos y los fotovoltaicos están dispuestos de tal manera que la
Propiedad puede hacer el conexionado en serie o en paralelo, según crea conveniente.
Contando con esta variada gama de prestaciones, a seleccionar en cada caso de acuerdo
con las necesidades efectivas de la nave, el lucernario es un conjunto multifuncional,
incorporando los equipos y sistemas que sean precisos para asegurar, tanto el nivel
lumínico interior en el plano de trabajo, como el tratamiento climático y demás servicios que
se requieran en cada caso, interrelacionándose todos ellos de forma que operen en cada
momento en las condiciones más eficientes, con la radiación solar como fuente energética
básica.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 69
7. Estudio de viabilidad
Con el fin de alcanzar el equilibrio entre calidad, costes y tiempo de ejecución se realizan
estudios de eficiencia energética y lumínica para calibrar la calidad, y el estudio económico
para contabilizar los costes.
7.1. Estudio comparativo de eficiencia energética
Uno de los objetivos principales a cumplir por el lucernario objeto del presente Proyecto, es
reducir el consumo eléctrico derivado del tratamiento térmico ambiental, o en su defecto,
mejorar las condiciones ambientales en el interior de la nave.
Para alcanzar dicho objetivo, es necesario disminuir la carga térmica total de la nave o
edificio. Una de las múltiples formas que hay para reducir dicha carga es reducir al mínimo
la entrada de radiación solar directa, convirtiendo la nave en una zona diáfana. En
consecuencia, la iluminación de dicha nave debe ser totalmente artificial. La iluminación
artificial conlleva también una carga térmica añadida que se ha de tener en consideración, y
sobretodo, una iluminación poco saludable, con efectos perjudiciales sobre los ocupantes
de dicha nave, agravado por la falta de comunicación con el exterior.
En consecuencia, es preferible tener iluminación natural para el ahorro de energía eléctrica
derivada de la iluminación artificial, y evitar los citados efectos perjudiciales. Pero por lo
argumentado anteriormente dicha iluminación natural debe realizarse obteniendo un
equilibrio entre la entrada de luz natural y de radiación solar directa.
La iluminación mediante lucernarios planos, no consigue dicho objetivo, puesto que están
expuestos a la radiación solar directa con un ángulo de incidencia elevado. En la figura 7.1
se observa la radicación incidente sobre una superficie horizontal, como es un lucernario
plano.
De dicha figura, se deduce que el 80% de la radiación solar incidente sobre lucernarios
planos es como causa de la componente directa de dicha radiación solar. Dicha
componente directa, si no es debidamente atenuada, también provoca iluminancias
demasiado elevadas en el lucernario que ocasionan deslumbramientos.
(Las figuras 7.1 y 7.2, así como las tablas 6.10 y 6.11 del apartado anterior, que se
muestran a continuación, son resultado del cálculo de la variación de la radiación solar en
función del horario solar siguiendo el proceso de cálculo del capítulo referente a “Ventanaje”
del ASHRAE [1], implementando una hoja de cálculo para su visualización gráfica).
Pág. 70
Memoria
Radiación solar diaria incidente sobre lucernario plano
1.200
1.000
800
W/m
2
Radiación difusa
reflejada por el
suelo
600
Radiación solar
difusa
400
Componente
directa de la
irradiación solar
200
0
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
Hora UTS
Figura 7.1. Radiación solar diaria incidente sobre lucernario plano (mes de Junio).
La componente horizontal de la radiación solar directa, en el hemisferio Norte y en las
horas centrales del día, tiene dirección y sentido de Sur a Norte. Con el fin de impedir la
entrada de dicha radiación solar directa, el lucernario de perfil triangular tiene la cara de
menor inclinación, opaca y orientada al sur. Dicha cara Sur es debidamente aislada
mediante panel sándwich de 25 mm., hecho que le otorga una baja capacidad de
transmisión del calor. Por extensión, los laterales del lucernario también son de panel
sándwich del mismo grosor.
La cara del lucernario orientada hacia el Norte es de policarbonato multicelular
transparente. Dicha cara está expuesta a la radiación solar directa en un grado mucho
menor que una superficie horizontal.
Pág. 71
Diseño de lucernario multifuncional
400
Radiación solar diaria incidente sobre cara Norte de lucernario triangular
multifuncional
350
300
250
W/m
2
Radiación difusa
reflejada por el
suelo
200
Radiación solar
difusa
150
100
Componente
directa de la
irradiación solar
50
0
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
Hora UTS
Figura 7.2. Radiación solar diaria incidente sobre la superficie transparente del lucernario
triangular (mes de Junio).
En la figura 7.2 queda reflejado que la componente directa de la radiación solar es un 60%
respecto de la total.
Comparando la radiación solar total incidente sobre la superficie transparente de los
lucernarios planos y de los lucernarios triangulares se obtienen las reducciones mostradas
en la siguiente tabla.
Radiación solar total
máxima (W/m2)
Radiación solar directa
máxima (W/m2)
Lucernario plano
Lucernario triangular
Reducción (%)
960
341
64%
842
204
76%
Tabla 7.3. Comparación de radiación incidente sobre superficies transparentes del
lucernario.
En dicha tabla, se observa la disminución de la radiación solar incidente en el lucernario
triangular respecto al lucernario plano, y que en parte, dicha disminución es a costa de
reducirse la incidencia de la componente directa del sol.
La carga térmica que los lucernarios transmiten a la nave en régimen de ventilación o de
humidificación adiabática, son fruto de la parte de radiación que atraviesa la superficie
transparente de dichos lucernarios. El calor transmitido por conducción térmica desde la
superficie caliente exterior a la interior, y posteriormente cedida al aire interior por
convección, no influye sobre la carga térmica de la nave. Esto es así, porque dicho calor es
cedido al aire que está a poca distancia de salir al exterior, es decir, el aire que se
encuentra al final de la recta de maniobra.
Pág. 72
Memoria
En el caso en el que la nave sea refrigerada mecánicamente, dicha cesión de calor hay que
contabilizarla como una carga térmica más.
La capacidad de transmitir el calor al interior del edificio, ya sea por radiación solar, o por
convección, debido al calentamiento del aire, depende del material utilizado para la
superficie transparente. En el caso del lucernario triangular, se trata de policarbonato de 10
mm. de grosor, multicelular (de doble pared) y transparente, lo que se traduce en un 77%
2
de transmisión luminosa y un coeficiente de transmisión térmica de 3,2 W/m ·K.
Comparando la radiación incidente sobre lucernario plano y lucernario triangular se calcula
la disminución de carga térmica de la nave. Siendo el lucernario plano de policarbonato de
10 mm. de grosor, multicelular (de doble pared) translúcido, con un coeficiente de
transmisión luminosa del 44%.
Por tanto, para los valores contemplados en las tablas de radiación solar del ASHRAE,
durante el período de cuatro meses de verano (21/6 a 21/9) para 40º Latitud Norte, las
diferencias de carga térmica se muestran en la tabla siguiente.
Lucernarios planos con PC
translúcido de 10 mm.
Lucernarios triangulares con
PC transparente de 10 mm.
Radiación solar media
durante temporada de
verano (21/6 a 21/9)
Carga térmica por radiación
solar durante temporada de
verano (21/6 a 21/9)
545 W/m2
320 KWh/m2
353 W/m2
272 KWh/m2
Tabla 7.4. Carga térmica por radiación solar durante temporada de verano (21/6 a 21/9).
Y cuando la carga de radiación solar es máxima.
Lucernarios planos con PC
translúcido de 10 mm.
Lucernarios triangulares con
PC transparente de 10 mm.
Radiación solar
máxima (12h. 21/6)
Carga térmica por radiación
solar máxima (12h. 21/6)
960 W/m2
422 W/m2
341 W/m2
263 W/m2
Tabla 7.5. Carga térmica por radiación solar máxima (12h. 21/6).
Comparando los valores obtenidos, resultan unos ahorros energéticos del 15% durante el
periodo de verano, y del 38% durante la máxima carga térmica debida a radiación solar por
unidad de superficie transparente o translúcida.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 73
7.2. Estudio de iluminación
Los factores que influyen sobre la eficiencia lumínica de un lucernario, de cualquier tipo,
vienen dados por las propiedades de los materiales que lo constituyen, y en particular del
material que sirve para la transmisión de la luz hacia el interior de la nave.
Cuando el material es transparente, la transmisión es directa, el haz de luz se desplaza en
el material íntegramente y de forma lineal. En cambio, en los materiales translúcidos la
transmisión es difusa, en el interior del material los rayos de luz se dispersan en varias
direcciones, como ocurre por ejemplo, en el vidrio opal. Hay materiales en los que la
transmisión es selectiva, están coloreados para dejar pasar sólo ciertas longitudes de onda
y absorber otras.
La luz que entra en el interior de la nave, por superficie de abertura, depende de la luz
natural que llega a la superficie transparente y de las propiedades lumínicas del material de
dicha superficie.
Los lucernarios tradicionales (lucernarios planos y claraboyas), si son de material
transparente, bajo la incidencia directa de la luz solar provocan deslumbramiento debido a
su alta luminancia. Dichos lucernarios quedan por encima de la altura de los ojos del
usuario de la nave, hecho que atenúa el problema, pero igualmente, se trata de un
fenómeno no deseado. Además, la luz introducida tiene una dirección muy marcada, es
una luz muy focalizada, que provoca altas iluminancias y sombras marcadas.
Para disminuir la entrada tan directa de la luz natural, se utilizan materiales translúcidos,
que difuminan la luz y la reparten en un ángulo más abierto respecto la vertical. También
dichos materiales, disminuyen la transmisión de la luz, y por tanto la luminancia del
lucernario en el que se colocan, con lo que reduce parcialmente la posibilidad de provocar
deslumbramiento.
En el caso del lucernario triangular multifuncional, la luz natural incidente en la superficie
transparente es menor y se divide a partes iguales entre la componente directa y la difusa.
Por tanto, la luz entrante no tiene una marcada direccionalidad y el lucernario no presenta
luminancias elevadas, evitando la focalización de la luz y los deslumbramientos.
Éste hecho permite utilizar materiales transparentes sin riesgos, con la finalidad de
aumentar la cantidad de luz natural entrante, y por tanto su eficiencia. Parte de la luz
natural entrante a través de la superficie transparente se dirige hacia el interior de la nave y
parte incide contra la cara opuesta del lucernario. Dicha cara es de panel sándwich
revestido de aluminio, material de alta reflectividad, que dirige la parte de luz natural que
incide sobre él hacia la nave.
Pág. 74
Memoria
Figura 7.6. Lucernario triangular multifuncional (ver plano nº1).
En los lucernarios tradicionales, la superficie efectiva de entrada de luz natural coincide con
la abertura en la cubierta, en cambio en los lucernarios triangulares multifuncionales
representa poco más de la mitad de la superficie de la abertura. Este hecho ayuda a reducir
la luminancia del lucernario evitando superficies brillantes en el entorno visual de la nave.
Una vez la luz natural ya ha entrado en el interior de la nave, la eficiencia de la iluminación
depende de factores independientes del tipo de lucernario del que se trate. Depende del
número de lucernarios, la distancia entre ellos, la distancia entre ellos y el plano de trabajo
de la nave, las dimensiones de la nave, etc., parámetros que se explican en el apartado 11,
destinado a mostrar el desarrollo de un programa de selección de lucernarios.
7.3. Estudio económico
La instalación de un lucernario triangular multifuncional no representa un sobrecoste
importante respecto los lucernarios tradicionales, y aún menos, cuando reúne diferentes
servicios que un lucernario tradicional no ofrece. No obstante, desde el punto de vista
económico los costes no son el único punto a tener en cuenta, también se ha de realizar un
estudio de mercado para estimar que cuota de éste se puede abarcar.
Diseño de lucernario multifuncional
7.3.1.
Pág. 75
Estudio de mercado
Las ventas de lucernarios en el estado español en los últimos años se han disparado, como
consecuencia del incremento de la construcción. Durante el presente año 2.008, este
incremento se ha visto reducido.
Con el fin de independizar el presente estudio de mercado de la situación económica en la
que se encuentre el estado español, los valores son relativos, así se habla de cuota de
mercado.
Mayoritariamente, las propiedades son reacias a ocupar naves ciegas, sin contacto visual
con el exterior, hecho que condiciona a los constructores, y consecuentemente, éstos
instalan sistemas de iluminación natural.
La obligatoriedad de dotar a las naves de un sistema de evacuación de humos de acuerdo
con la norma UNE 23585, representa un mercado potencial seguro, puesto que cada nave
que se construya, se reforme o se reconvierta para un uso diferente al que tenía es un
potencial cliente.
La instalación de placas de energía solar térmica y fotovoltaica está regulada por el nuevo
Código Técnico de la Edificación, aunque para usos industriales del edificio no es
obligatorio, si que lo es para usos comerciales.
Generalmente, las naves, ya sean industriales o comerciales, están dotadas de sistemas
de tratamiento ambiental de algún tipo, con el fin de mejorar las condiciones ambientales
interiores.
Dichos servicios son demandados para una misma obra, hecho que beneficia la venta de
un producto que reuniera los componentes de dichos servicios a instalar en cubierta en uno
solo. Éste es el caso del lucernario triangular multifuncional.
7.3.2.
Costes
Los costes de un lucernario triangular multifuncional son, por una parte, de fabricación de
los perfiles metálicos, de las placas de policarbonato, de los paneles sándwich, y si es el
caso, de los accesorios necesarios para integrar los servicios adicionales. Y por otra parte,
de montaje del lucernario e instalación sobre el zócalo.
Los costes a considerar son similares a los de un lucernario tradicional pero en mayor
cuantía por el hecho de llevar más componentes.
Pág. 76
Memoria
Material
Unidades
Perfilería de aluminio (3 perfiles longitudinales y 10 transversales)
1
Panel sándwich de 1.000 x 2.150 mm.
4
Placa de policarbonato de 1.000 x 1.250 mm.
4
Accesorios (uniones y gomas EPDM)
Varios
Zócalo de 3.920 x 2.320 mm.
1
Mano de obra
Abertura de huecos en cubierta de 3.920 x 2.320 mm.
Montaje de zócalos y remates
Montaje de los lucernarios
TOTAL (fabricación y montaje)
Coste
660 €
462 €
132 €
66 €
353 €
588 €
324 €
1.176 €
3.761 €
Tabla 7.7. Costes de fabricación y montaje de un lucernario triangular multifuncional
constituido de cuatro módulos (no incluidos los costes de transporte, de
seguridad, etc.).
Los costes están calculados para un lucernario compuesto por cuatro módulos, por
considerarse ésta medida como habitual y adecuada en sistemas de iluminación natural
cenital.
7.3.3.
Estudio comparativo de costes
Los costes de un lucernario plano son menores que los de un lucernario triangular, las
razones fundamentales son el menor número de perfiles utilizados, con sus respectivas
uniones, y el menor tiempo de montaje.
Material
Unidades
Perfilería de aluminio (3 perfiles longitudinales y 10 transversales)
1
Placa de policarbonato de 1.000 x 1.250 mm.
4
Accesorios (uniones y gomas EPDM)
Varios
Zócalo de 3.920 x 2.320 mm.
1
Mano de obra
Abertura de huecos en cubierta de 3.920 x 2.320 mm.
Montaje de zócalos y remates
Montaje de los lucernarios
TOTAL (fabricación y montaje)
Coste
225 €
180 €
45 €
353 €
588 €
324 €
494 €
2.209 €
Tabla 7.8. Costes de fabricación y montaje de un lucernario plano (no incluidos los costes
de transporte, de seguridad, etc.).
Para la iluminación natural de una nave diáfana sin ventanas de 2.500 m2, situada en
Barcelona con un nivel de iluminación requerido en el plano de trabajo de 200 lux, la
superficie de abertura necesaria mediante lucernarios, se muestra en la siguiente tabla los
costes de fabricación y montaje para lucernarios planos y lucernarios triangulares.
Pág. 77
Diseño de lucernario multifuncional
Lucernarios planos con PC
transparente de 10 mm.
Lucernarios planos con PC
translúcido de 10 mm.
Lucernarios triangulares con
PC transparente de 10 mm.
Superficie de abertura
necesaria
Número de lucernarios a instalar de
3.920 x 2.320 mm. (medidas interiores)
Coste
186 m2
21
45.010 €
333 m2
37
80.815 €
355 m2
39
146.750 €
Tabla 7.9. Superficie de abertura necesaria, número de lucernarios necesarios y costes
para iluminación natural cenital. Cálculos realizados mediante el programa
desarrollado en el Proyecto, adjunto en el CD.
Ya se ha comentado en los apartados 7.1 y 7.2 los problemas derivados de utilizar material
transparente expuesto directamente al sol, es por ello que contemplamos la alternativa de
utilizar lucernarios planos con policarbonato 10 mm. tipo opal (translúcido).
Se observa en la tabla 7.9 la diferencia de coste entre la instalación de lucernarios planos y
triangulares. Descartando la alternativa que contempla la utilización de policarbonato
transparente con lucernarios planos por los problemas comentados, la utilización de
lucernarios triangulares representa una inversión 45% superior a la realizada para la
utilización de lucernarios planos con policarbonato translúcido.
Esa inversión inicial más elevada se compensa con un menor consumo eléctrico debido a
la refrigeración mecánica, pero sobretodo en la instalación de equipos adicionales. Para la
instalación de equipos adicionales, la Propiedad debe realizar de nuevo aberturas en la
cubierta para aireadores destinados a la evacuación de humos en caso de incendio y a la
ventilación, e instalar una estructura si debe o pretende instalar un sistema de
aprovechamiento de la radiación solar. En cambio, con el lucernario triangular el sobrecoste
es simplemente el coste del acople necesario. Ni que decir, la diferencia de coste debida a
mano de obra.
Cuantificar el ahorro debido a la instalación de dichos servicios adicionales depende de
cada caso en particular y cualquier comparación al respecto pierde sentido. Sin embargo, el
ahorro debido a un menor consumo eléctrico derivado de la refrigeración mecánica, si es
cuantificable.
Lucernarios planos con PC
translúcido de 10 mm.
Lucernarios triangulares con
PC transparente de 10 mm.
Carga térmica por
radiación solar durante
temporada de verano
(21/6 a 21/9)
Carga térmica total por
radiación solar durante
temporada de verano
(21/6 a 21/9)
320 KWh/m2
106.560 KWh
272 KWh/m2
61.150 KWh
Tabla 7.10. Carga térmica total por radiación solar durante temporada de verano (21/6 a
21/9).
Pág. 78
Memoria
Como se observa en la tabla 7.10, en una temporada de verano se ahorran 45.410 Kwh.
que deberían evacuarse mediante la refrigeración mecánica. Empleando un planta
frigorífica con un EER de 2,5 equivalen a 18.164 Kwh. considerando un precio de
0,057€/Kwh. para una tarifa de alta tensión y potencia eléctrica entre 72,5 kV y 145 kV,
significa un ahorro de 1.036 €/año, sin contar el ahorro en la instalación de servicios
adicionales y las externalidades.
7.4. Estudio de impacto ambiental
Los objetivos a cumplir por el lucernario triangular multifuncional son argumentos
suficientes para asegurar que dicho lucernario asegura una mayor eficiencia energética de
la nave o edificio donde se instale.
Además, los materiales utilizados para su fabricación son totalmente reciclables al final de
su vida útil.
La estructura del lucernario se compone de los perfiles mínimos necesarios para satisfacer
la funcionalidad y la robustez necesaria. Dichos perfiles son de aluminio extrusionado, el
aluminio se obtiene tras el proceso de transformación (proceso Bayer y electrólisis) de la
bauxita, es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, de la cual forma
más de un 7%. El proceso de obtención del aluminio requiere un elevado gasto energético
por la necesaria electrólisis de la alúmina. En cambio, el gasto energético en la fabricación
de los perfiles a partir de material reciclado, es menor a muchos metales debido a que el
aluminio es un metal de bajo punto de fusión y alta maleabilidad.
Los paneles sándwich están revestidos de aluminio también, y el interior está relleno de
espuma de poliuretano para hacer la función de aislante. Dicho material es muy utilizado en
la construcción y totalmente reciclable, aunque no indefinidamente.
Las placas que hacen de superficie transparente son de policarbonato, material
termoplástico con bajo punto de fusión y fácil reciclado.
Se trata pues, de un producto que no conlleva un excesivo gasto energético en su
fabricación, que mejora la eficiencia energética, y que no genera residuos no reciclables al
final de su vida útil.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 79
8. Consideraciones de producto
En el diseño del lucernario triangular multifuncional se tiene en cuenta la interacción de éste
con su entorno, como los usuarios que lo han de manipular por el motivo que sea y los
agentes atmosféricos adversos que afectan a cualquier instalación implantada en el
exterior.
8.1. Ergonomía de las tareas a realizar
El lucernario a instalar no ha de ser manipulable nunca, salvo para su propia instalación y
su posterior mantenimiento, por lo tanto para el usuario consumidor no tiene que cumplir
ninguna necesidad ergonómica para su correcta utilización. En lo que se refiere a la
instalación, la solución material al problema ha de ser rápida y fácil de montar.
Los operarios de montaje y de fabricación deben ir equipados con guantes protectores para
la manipulación de los perfiles y paneles de aluminio, así como de los paneles de
policarbonato. Dicha obligación se hace extensiva a los operarios de montaje de los
paneles solares térmicos o fotovoltaicos, de los aireadores y de otros sistemas susceptibles
de incorporar el lucernario.
El mantenimiento se ha de efectuar también de manera rápida y en caso de sustitución de
alguna pieza, su cambio tiene que ser sencillo.
8.2. Análisis de seguridad
Seguridad de funcionamiento: Durante el funcionamiento no hay riesgo para ningún tipo de
usuario, salvo para los pájaros posados encima de los aireadores en el momento de la
abertura de los mismos, ya sea para ventilación o para evacuación de humos en caso de
incendio.
Seguridad “física”: El lucernario es un obstáculo de considerables dimensiones que priva la
libre circulación de las personas, el hecho de estar instalado en la cubierta, representa una
atenuación de dicha privacidad, ya que sólo presenta un riesgo para aves y operarios de
instalación, mantenimiento o sustitución que suben a cubierta.
El lucernario está expuesto a los agentes externos, y entre ellos el más peligroso es el
viento, ya que el lucernario es poco pesado y la fuerza ejercida sobre cualquiera de sus
caras puede desplazarlo. Dicha fuerza se puede descomponer en dos, una vertical y otra
Pág. 80
Memoria
horizontal. La más peligrosa es la componente horizontal, puesto que la vertical nos
mantiene el lucernario sujeto contra la cubierta. Para evitar dicha problemática, el lucernario
está anclado a la cubierta mediante el zócalo.
Seguridad en mala instalación: Una mala instalación puede derivar lógicamente en un mal
funcionamiento, uno de estos riesgos puede ser una mala orientación del lucernario, y por
lo tanto la eficiencia energética pretendida no sería lograda.
Una mala impermeabilización del zócalo repercutiría en la entrada de agua al interior del
edificio, con los consiguientes desperfectos que ello provocaría.
Seguridad en mal funcionamiento: El lucernario propiamente dicho, no es susceptible de
tener un mal funcionamiento, puesto que no es compuesto por ningún elemento móvil.
Los elementos añadidos para cumplimentar otros servicios como son los aireadores,
funcionan siempre que haya suministro de aire comprimido al pistón de apertura. Los
elementos móviles de las instalaciones adicionales que no sean pertenecientes a los
aireadores se consideran que no forman parte del lucernario.
En el caso de incorporar al lucernario un sistema de aprovechamiento de energía solar
fotovoltaica, y dicho sistema funciona de forma incorrecta, puede haber riesgos propios de
cualquier instalación eléctrica como son los simples “chispazos” o “electrocuciones”. Estos
son debidos a un mal aislamiento eléctrico o al mal estado “del contacto a tierra”. Dicha
instalación no perteneciente al lucernario debe llevar sus correspondientes protecciones.
Seguridad contra el deterioro: El sistema estará situado a la intemperie por lo que hay
riesgos de destrucción de los objetos que lo componen. Por ello, el lucernario está
fabricado a partir de materiales con gran resistencia a la corrosión.
Normativa: Para una adecuada iluminación del interior de los edificios se han de tener en
cuenta las necesidades visuales, que hacen posible la realización de una determinada
tarea por parte de las personas. Dichas necesidades que debe cumplir el ambiente
luminoso, es cumplimentado por un confort visual para aumentar la sensación de bienestar
y por la seguridad que da una correcta iluminación.
Los valores recomendados de iluminancia, deslumbramiento molesto y rendimiento de
colores están registrados en la norma UNE EN 12464-1, referente a la iluminación en
lugares de trabajo para interiores. Dicha normativa establece las características de la
iluminación en función de cada tarea a realizar.
La posibilidad de incorporar los citados servicios adicionales e iluminar con luz natural,
fomenta el cumplimiento de Código técnico de la Edificación [7], y la norma UNE 23585, [5].
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 81
8.3. Ciclo de vida del sistema
El sistema es lo más simple posible, lo cual ayuda a prolongar su vida útil ya que así se
minimizan los posibles errores de montaje. La posibilidad de fallos del sistema es muy
reducida, porque el único elemento móvil del conjunto es el sistema de apertura de los
aireadores para la evacuación de humos y ventilación diaria.
Consecuentemente, son los factores externos que fijan el ciclo de vida del lucernario, y este
dependerá de la magnitud de los distintos agentes externos sobre el sistema, desde la
suciedad, a la lluvia, el viento y el sol. Se observa por lo tanto, que es necesario crear un
producto sencillo pero a la vez suficientemente robusto para que soporte dichas agresiones
externas.
Con el fin de soportar dichas agresiones del medio exterior, el lucernario está fabricado a
partir de materiales resistentes a la corrosión como es el aluminio con una capa protectora
fruto del proceso de anodizado.
La vida útil del lucernario, es tanto o más larga que cualquier captador de luz natural. El
final de la vida útil, lo decide por tanto, el usuario principal. Cuando la vida útil del lucernario
finaliza, todos sus componentes son reciclados de manera rápida y fácil.
Para lograr resultados satisfactorios, el ciclo de vida del lucernario debe ser similar al ciclo
de vida de los sistemas de iluminación natural tradicionales. De no ser así, esto repercutiría
en los costes de mantenimiento del lucernario y por tanto en su viabilidad económica.
8.4. Compromisos y responsabilidades del usuario principal
Los lucernarios objeto del presente Proyecto distribuidos uniformemente por la cubierta,
ofrecen al interior del edificio una iluminación natural uniforme. El grado de iluminación
dado por los lucernarios es el mínimo necesario para la realización de la tarea que requiera
menos iluminación, excepto si existen requerimientos de la Propiedad en este sentido.
La Propiedad que decida colocar el lucernario que se pretende diseñar en el presente
Proyecto, deberá hacer un estudio cuidadoso de la iluminación necesaria para cada tarea
que en su edificio se desempeña. Dicha iluminación, que en parte es ofrecida por la
iluminación natural cenital, se alcanza mediante un sistema de iluminación artificial, que
puede ser puntual, o perteneciente al sistema general de iluminación artificial de régimen
nocturno.
Pág. 82
Memoria
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 83
9. Desarrollo de un programa de selección
Los argumentos técnicos y prácticos, referentes al ahorro de energía, a la
multifuncionalidad, a la modularidad y a la resistencia, demuestran las ventajas del
lucernario triangular multifuncional respecto a otros lucernarios tradicionales.
El presente Proyecto no sería completo sin una guía que condujera al correcto
dimensionado del sistema de iluminación natural cenital mediante dichos lucernarios. Para
dicho dimensionado se implementan los cálculos necesarios sobre una hoja de cálculo
Excel.
9.1. Objetivos del programa a realizar
El programa a implementar sobre una hoja de cálculo Excel, es una herramienta para
facilitar el dimensionado de un sistema de iluminación natural cenital. El programa acepta el
dimensionado de diferentes tipos de lucernario, entre ellos el lucernario triangular
multifuncional.
El objetivo principal es calcular la superficie de abertura necesaria para iluminación natural
cenital, teniendo en cuenta las particularidades de cada uno de los casos.
El programa se diseña con la motivación de facilitar el cálculo, y exponer de manera clara y
concisa, tanto los datos a introducir, como los resultados obtenidos, para una fácil y rápida
lectura.
9.2. Funcionamiento del programa
El programa está basado en un libro Excel constituido por 4 hojas de cálculo, cada una con
su función bien determinada.
La primera hoja es donde el usuario rellena los datos de partida necesarios para el debido
dimensionado, el usuario puede observar los datos que ya ha introducido y los que en
consecuencia el programa utiliza para el cálculo.
Pág. 84
Memoria
Figura 9.1. Primera hoja de cálculo para recogida de datos de partida.
Como se observa en la figura 9.1 los datos que se requiere que el usuario rellene son los
necesarios para el cálculo de la superficie de abertura en cubierta necesaria para
iluminación natural cenital, según el método de cálculo adjunto en el anexo.
En dicha primera hoja hay implementadas dos macros, una para que se muestre el
resultado en la pantalla titulada “Calcular” y otra para limpiar los datos rellenados y volver a
empezar, ésta está titulada “limpiar”. El resultado es copiado mediante la macro de la
segunda hoja de cálculo.
Los cálculos necesarios se realizan en la segunda hoja de cálculo, donde se reflejan todos
los coeficientes reductores y los parámetros geométricos propios de la nave que los
determinan.
Dichos cálculos van ligados a los parámetros introducidos por el usuario a través de las
tablas necesarias mostradas en la tercera hoja de cálculo. Dicha hoja es utilizada como
base de datos de las propiedades y relaciones necesarias para el posterior cálculo en la
segunda hoja de cálculo.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 85
10. Caso práctico
El presente caso práctico contempla las necesidades de una empresa dedicada al
almacenamiento y procesado de madera, en lo que se refiere a los siguientes servicios de
evacuación de humos, iluminación natural y ventilación natural.
La solución presentada, que más adelante se detalla, se basa en el empleo de compuertas
EuroCO con lamas de Aluminio + lucernarios triangulares multifuncionales con PC
transparente.
A continuación se exponen cada uno de los servicios, con las características y cálculos
justificativos de cada uno.
10.1. Evacuación de humos
En caso de incendio, el sistema de evacuación de humos debe ser el sistema que
mantenga la capa de humos generada por el incendio a una altura tal que permita la
visibilidad para hacer posible la salida del personal de planta por las salidas de emergencia,
facilitar el acceso de los bomberos y tener controlado el perímetro del incendio.
10.1.1. Consideraciones previas
Los aireadores son del modelo EuroCO quedando integrados en los lucernarios
triangulares multifuncionales, dispuestos de Este a Oeste a lo ancho de la cubierta. Las
compuertas van alojadas en la cara de 30º de inclinación orientada al Sur.
Las lamas de las compuertas son de aluminio para evitar que la radiación solar directa
entre al interior de la Nave a través de éstas. El hecho de utilizar material translúcido
ocasionaría daños superficiales en la madera.
Pág. 86
Memoria
Figura 10.1. Ilustración del lucernario triangular multifuncional y su disposición en cubierta.
10.1.2. Datos de partida
El total de la instalación está dividida físicamente en tres zonas diferentes, como se
muestra en la siguiente figura:
Figura 10.2. División en planta de los sectores de incendio.
Pág. 87
Diseño de lucernario multifuncional
Con las siguientes características cada una:
Zonas
Longitud (m)
Anchura (m)
Altura
máxima
(m)
Altura máxima de
almacenamiento (m)
Superficie
(m2)
S1
32+22+22+22
25+19+13+9
9,4
6
1702
S2
93
25
9,4
6
2.325
S3
44+50
25+21
9,4
6
2150
Usos
Almacenamiento de
madera.
Almacenamiento de
madera y seccionado
de tablones.
Almacenamiento de
madera y seccionado
de tablones.
Tabla 10.3. Características de cada sector.
10.1.3. Objetivo del estudio
Dotar a cada uno de los tres sectores de incendio de un sistema de evacuación automática
de humos y ventilación natural diaria.
10.1.4. Sistema
o
Criterios de diseño
El sistema cumple la normativa vigente, la norma UNE 23585, [5].
o
Parámetros de diseño
Al tratarse de tres sectores de incendio diferentes cada uno de ellos lleva su propio cálculo
asociado. Al ser sectores con superficies superiores a 2.000 m2 o con longitudes superiores
a 60 m se han de prever 2 depósitos de humo diferentes para cada uno de los sectores.
La altura de almacenaje que se ha determinado es de 6 metros, que corresponde con la
altura real máxima de almacenaje. La norma establece que se debe establecer el límite
superior de la capa libre de humos 0,5 metros por encima de la altura de almacenaje
máxima. Por tanto, la altura de la capa libre de humos es de 6,5 metros.
La temperatura de la capa de humos no puede superar los 550ºC (823K).
o
Rociadores automáticos de agua
Por el hecho de estar destinadas las naves al almacenamiento de madera, con una altura
máxima de almacenaje de 6 metros y al aserrado de la madera, la norma de Seguridad
Contra Incendios en los Establecimientos Industriales de obligado cumplimiento por el RD
2267/2004, estipula la necesidad de disponer de un sistema de rociadores automáticos de
agua (sprinklers).
Pág. 88
Memoria
Densidad de carga de fuego en cada sector:
qvi
Ci
hi
si
Ra
A
Qs
Zona de almacenamiento
4200
1,3
6
302,4
1,5
2325
6391,37
QsT=
6541
Zona de seccionado
400
1,3
Unidad
MJ/m3
446
1,5
2325
149,62
m2
m2
MJ/m2
MJ/m2
Tabla 10.4. Tabla resumen del cálculo de rociadores de agua.
Donde, qvi es el poder calorífico de los componentes combustibles presentes en la nave, Ci
es el Coeficiente de grado de peligrosidad, hi es la altura de almacenamiento, Ra es el
coeficiente adimensional corrector del grado de peligrosidad, A el área total y Qs la
densidad de carga de fuego.
La densidad de carga de fuego calculada corresponde a un riesgo alto. El edificio está
catalogado como de tipo B, y la superficie de los sectores de incendio superan los 800 m2.
Por consiguiente, se requiere una red de rociadores automáticos de agua, según apartado
11 “Sistemas de rociadores automáticos de agua”, subapartado b) “Actividades de
almacenamiento” en el punto 3º, donde se especifica que:
“Se instalarán sistemas de rociadores automáticos de agua en los sectores de incendio de
los establecimientos industriales cuando en ellos se desarrollen actividades de
almacenamiento si están ubicados en edificios de tipo B, su nivel de riesgo intrínseco es
alto y su superficie total construida es de 8 00 m2 o superior.” [15].
Los rociadores se dispondrán en un único plano bajo cubierta, para no interferir en el uso
del sector, y serán del tipo de gran capacidad (ESFR) dada la elevada densidad de carga
de fuego.
o
Dimensionado del sistema
En función de los parámetros expuestos en el apartado anterior se determina la instalación
de un número de unidades determinadas resultado de los cálculos expuestos en el
apartado de cálculos justificativos para cada sector. En todos los sectores la superficie
aerodinámica necesaria es la misma y por tanto el número de aireadores.
Sector
S1
S2
S3
Nº aireadores
31
31
31
Tabla 10.5. Número de aireadores necesarios por sector.
Diseño de lucernario multifuncional
Pág. 89
Con el objetivo de obtener una distribución uniforme se colocarán 32 unidades por sector.
10.2. Iluminación natural
La iluminación natural se basa en la aportación cenital de luz natural a través de aberturas
en cubierta, protegidas con lucernarios triangulares multifuncionales, de superficie
transparente total adecuada para asegurar un determinado nivel de intensidad lumínica en
el plano de trabajo, según se especifica seguidamente.
10.2.1. Consideraciones previas
Los lucernarios son del tipo triangulares multifuncionales dispuestos de Este a Oeste a lo
ancho de la cubierta.
Estos lucernarios únicamente dejan pasar al interior de la Nave las componentes difusa y
reflejada de la luz natural procedente del sol. Debido a que estas componentes no tienen
una dirección tan marcada como la componente directa, los lucernarios llevan por este
hecho policarbonato transparente aumentando así además la aportación de luz natural al
interior de la Nave.
La componente directa de la radiación solar es, en gran parte, la responsable de las cargas
térmicas por radiación solar a través de superficies transparentes y/o translúcidas en
edificios. Los lucernarios triangulares discriminan dicha componente por la orientación de
sus caras (Superficie transparente al Norte y superficie opaca al Sur), evitando el aumento
de las cargas térmicas en el edificio en el cual se instalan.
10.2.2. Datos de partida
El estudio de la iluminación natural se divide según los tres sectores físicamente divididos,
expuestos en el apartado anterior, pero con la singularidad que el primero y el tercero se
subdivide en varias partes, ya que el estudio de la repartición de la luz natural debe hacerse
por separado en zonas con diferentes dimensiones.
En la siguiente figura se muestra dicha repartición utilizada posteriormente para el cálculo:
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Memoria
Figura 10.6. Divisiones realizadas en planta para el cálculo de iluminación natural.
A continuación se muestra las características de cada división:
Zonas
Longitud
(m)
Anchura (m)
Altura
máxima (m)
S1.1
S1.2
S1.3
S1.4
32
22
22
22
25
19
13
9
9,4
9,4
9,4
9,4
Altura máxima de
almacenamiento
(m)
6
6
6
6
S2
93
25
9,4
6
2.325
S3.2
65
25
9,4
6
1.625
S3.2
21
25
9,4
6
525
Superficie
(m2)
800
418
286
198
Usos
Almacenamiento de madera.
Almacenamiento de madera.
Almacenamiento de madera.
Almacenamiento de madera.
Almacenamiento de madera
y seccionado de tablones.
Almacenamiento de madera
y seccionado de tablones.
Almacenamiento de madera
y seccionado de tablones.
Tabla 10.7. Características de cada división.
10.2.3. Objetivos del estudio
Dotar de un sistema de iluminación natural suficiente para garantizar unos índices de
iluminancia adecuados para el uso general del edificio, como es el almacenamiento de
madera. En los puntos que se requiera más luz, esta iluminancia debe ser incrementada, a
fin de, adecuarla a la tarea desempeñada en cada caso.
10.2.4. Sistema
o
Criterios de diseño
El sistema cumple la normativa vigente, la Norma 12464.1, [7].
Diseño de lucernario multifuncional
o
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Parámetros de diseño
Para salas de almacenamiento, la iluminancia a nivel del plano de trabajo debe ser de 100
lux, valor que se eleva a 200 lux, cuando el área está ocupada en continuo, como es el
presente caso. Para salas con maquinaria propia de la industria maderera, como bastidores
de aserrado, dicho índice se incrementa a 300 lux, según la norma, valor que se eleva a
750 lux, en las áreas en las que se lleven a cabo labores de selección de maderas.
o
Dimensionado del sistema
El servicio de iluminación natural calculado cubre una iluminancia de 200 lux a nivel del
plano de trabajo, valor determinado como parámetro de diseño en el apartado anterior para
zonas de almacenamiento. En las zonas en las que la iluminancia necesaria según la
norma sea superior a la aportada por el sistema de iluminación natural (objeto de este
estudio), se entiende que la diferencia se cubrirá mediante alumbrado eléctrico adicional,
servicio éste no incluido en el presente estudio.
Para evitar discontinuidades en la iluminancia, favoreciendo una distribución homogénea de
la luz natural, se prevé una distribución de lucernarios homogénea, combinada con los
aireadores.
o
Resultados
En la tabla siguiente se muestra la superficie de abertura necesaria para iluminación natural
mediante lucernarios triangulares multifuncionales por cada sector:
Sector
S1.1
S1.2
S1.3
S1.4
S2
S3.1
S3.2
Superficie necesaria para iluminación
130 m2
83 m2
68 m2
60 m2
332 m2
260 m2
95 m2
Tabla 10.8. Superficie de abertura en cubierta necesaria para iluminación natural.
Que traducido en unidades es:
Sector
S1.1
S1.2
S1.3
S1.4
S2
S3.1
S3.2
Lucernarios triangulares multifuncionales (4 módulos por unidad)
14 Ud
10 Ud
8 Ud
8 Ud
36 Ud
28 Ud
10 Ud
Tabla 10.9. Unidades de lucernario triangular multifuncional.
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Memoria
Los lucernarios triangulares multifuncionales irán distribuidos a lo ancho de la nave para
que la cara con superficie transparente quede orientada al norte. Para la buena distribución
de la luz natural, los lucernarios deben ir distribuidos de forma equidistante a lo largo de la
nave, con una distancia tal que no se produzcan sombras entre uno y otro a lo largo de los
pasillos del almacén.
10.3. Ventilación natural
La instalación de los lucernarios posibilita la ventilación natural con la colocación de
compuerta en los laterales de los mismos. Ésta ventilación se lleva a cabo mediante la
obertura de dichas compuertas dando salida al aire caliente de la nave. Las compuertas
deben quedar protegidas por viseras antilluvia y alojar una malla antipájaros.
10.3.1. Consideraciones
La ventilación natural es un objetivo secundario en este caso práctico por las
particularidades que presenta, como la existencia de extracciones forzadas de aire en la
nave, para aspiración de serrín en las máquinas de corte, etc. Por este motivo se trata la
ventilación como una mejora consecuente y no como un objetivo a cumplir.
10.3.2. Cálculos estimativos
Los cálculos de ventilación que a continuación se muestran tienen como hipótesis de
partida que durante la época estival las puertas estarán abiertas y que el caudal de las
extracciones son ínfimas o están compensadas.
Sector
Cargas externas (W)
Cargas internas
Cargas totales (W)
S1
62.678
12536
75.214
S2
74.668
14934
89.602
S3
72.277
14455
86.732
Caudal de aire (m3/h)
Renovaciones/hora
49.275
0,51
46.580
0,48
51.726
0,53
Tabla 10.10. Parámetros de diseño de la ventilación natural.
Con la utilización de las compuertas instaladas en los lucernarios se obtiene
aproximadamente media renovación por hora, que provocará una ligera mejora ambiental
en el plano de trabajo. Dichas compuertas tendrán unas dimensiones adecuadas para
respetar los perfiles de los lucernarios (1.000 x 345mm.). No se utilizan los aireadores para
ventilación para no dañar la madera almacenada.
Diseño de lucernario multifuncional
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Conclusiones
La iluminación mediante lucernarios triangulares multifuncionales, reduce el consumo
energético del edificio. Dicha reducción es debida a la menor carga térmica que aportan los
lucernarios triangulares a la nave, a la utilización de la ventilación en temporadas
intermedias, a la eliminación de gran parte de la carga debida a la iluminación artificial y a la
incorporación de sistemas de aprovechamiento de la radiación solar.
La reducción de la carga térmica debida a radiación solar entrante por lucernario es
superior al 40%, dato esperado como uno de los objetivos.
El menor consumo eléctrico derivado de la climatización mediante refrigeración mecánica y
de la utilización de luz natural se traduce en un ahorro económico. La posibilidad de
incorporar diversos servicios al lucernario significa disminuir sensiblemente la inversión
económica que representa.
La combinación de módulos con servicios adicionales diferentes otorga una flexibilidad al
sistema que lo hace adaptable a cualquier necesidad, combinando módulos diferentes en
un mismo lucernario, combinando lucernarios con módulos diferentes o haciendo las dos
combinaciones a la vez. En definitiva, un sistema como el del lucernario multifuncional
ofrece gran cantidad de posibilidades de soluciones por el número de combinaciones que
ofrece.
En el caso de instalar el servicio adicional de módulos fotovoltaicos, confiere al sistema total
autonomía para maniobrar las compuertas o las lamas de los paralúmenes, si es el caso.
La inversión inicial a realizar para la instalación de lucernarios triangulares es un 40%
superior respecto a lucernarios tradicionales, dentro de lo esperado. Sobrecoste
amortizable a medio-largo plazo con la incorporación de los servicios adicionales y teniendo
en cuenta el largo ciclo de vida que tienen todos sus componentes.
La alternativa valorada en el presente Proyecto como la más adecuada, es la que mejor se
adapta a las necesidades generales, de los servicios estudiados, de un edificio o nave
diáfana de grandes dimensiones, pero no es la única solución posible. Queda constatado
en el caso práctico, donde la solución más idónea no era la general.
Diseño de lucernario multifuncional
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Agradecimientos
Se agradece la ayuda prestada por parte de los miembros del Departamento Técnico de la
empresa Colt España S.A, facilitando documentación para la realización del presente
Proyecto.
También agradecer los conejos y seguimiento durante el periodo de elaboración del
Proyecto por parte del tutor del mismo, el profesor Rafael Ruiz.
Diseño de lucernario multifuncional
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Bibliografía
Referencias bibliográficas
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Fundamentals Volume (traducción en español de actecir). BCN: 1988, capítulo 27.
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ICAEN, Institut Català d’Energia, Atlas de radiació solar a Catalunya. 2001, p. 96.
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ICAEN, Institut Català d’Energia, Energia Solar Tèrmica. 2003. Capítulo 5, p. 6.
[4]
Departamento técnico de Colt España S.A. Prontuario de climatización industrial.
Barcelona: 2005, p. 115-138.
[5]
AENOR, Asociación Española de Normalización y Certificación, Seguridad contra
incendios. Madrid: 2004.
[6]
ICAEN, Institut Català d’Energia, Curs de formació energia solar fotovoltaica.
Barcelona: CEGE, 2002, p. 37.
[7]
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alumbrado. Royal Philips Electronics, 2006.
[8]
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[http://www.construir.com/Econsult/C/Consulta/Renison/document/policomp.htm, 2 de
Febrero de 2008].
[9]
Alcristal C.A. Policarbonatos, características técnicas.
[http://www.alcristal.com/spanishversion/productos/pdf/macrolux.pdf, 2 de Febrero de
2008].
[10] www.wikipedia.org. [http://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_visible, 17 Febrero de 2008]
[11] V. autores. Color del sol. www.unav.es, 3 Octubre 2003.
[12] Attiko, Catálogo de claraboyas. [http://www.attiko.com/catalogos/claraboyas.pdf, 28
Mayo 2008].
[13] Allux-stav, Catálogo de conductos de luz. [http://allux-stav.czechtrade.es/conductosde-luz, 28 Mayo 2008].
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Memoria
[14] Isofotón. Catálogo comercial.
[http://www.isofoton.com/technical/material/pdf/productos/fotovoltaica/modulos/F_T_m
odulo_fotovoltaico_IS75_12_esp.pdf, 20 Abril 2008].
[15] Germán Pérez Zavala y Rafael Rueda Jiménez, Seguridad Contra Incendios en los
Establecimientos Industriales. APTB, Asociación Profesional de Técnicos de
Bomberos: 2005, p. 18-54.
Bibliografía complementaria
Iluminación natural
CEI, Comité Español de Iluminación e IDAE, Instituto para la Diversificación y Ahorro de la
Energía, Guía técnica para el aprovechamiento de la luz natural en la iluminación de
edificios. Madrid: 2005.
Michael F. Modest, Radiative Heat Trensfer (Second Edition). Massachusetts: Academic
Press, 2003.
BOYCE, PETER. Human Factors in Lighting (Second Edition). CRC Press, 2003.
Aprovechamiento de la energía solar
ICAEN, Institut Català d’Energia, Energia Solar Tèrmica. 2003.